C'est le Saint Graal de l'exploration martienne, un projet pharaonique dont la complexité technique, le nombre d'étapes clés à franchir et le potentiel scientifique donnent le vertige. Evoquée depuis des décennies, sans cesse repoussée ou annulée pour cause de verrous technologiques et de budgets faramineux, c'est la mission qui pourrait révolutionner nos connaissances sur la planète rouge, voire répondre à l'une des questions fondamentales que l'homme se pose depuis qu'il a levé les yeux vers le ciel étoilé : sommes-nous seuls dans l'Univers ? Son nom tient en trois lettres : MSR, pour Mars Sample Return, soit retour d'échantillons martiens en français.

Son principe est assez simple, du moins en apparence : faire atterrir sur Mars une sonde, idéalement mobile, capable de collecter des échantillons d'air, de sols, de roches et de poussière, placer ces derniers dans une capsule, installer le container en question au sommet d'une petite fusée, et faire revenir la précieuse cargaison sur Terre. La principale raison d'une telle entreprise ? La puissance des instruments qui équipent les laboratoires terrestres, et qui reste sans commune mesure avec celles des appareils d'analyse qui équipent nos sondes d'exploration, quelque soit leur niveau de sophistication. Certaines opérations seraient de plus très difficiles à automatiser sur Mars. Comment concevoir par exemple un rover capable de réaliser des lames minces de roche de 30 microns d'épaisseur, pour pouvoir ensuite examiner ces dernières à distance grâce à des microscopes, et y rechercher des microfossiles ? Certains équipements sont aussi tout bonnement impossibles à miniaturiser et à spatialiser. Nous ne sommes pas prêts d'envoyer sur Mars un microscope électronique à transmission ou une sonde ionique, pour ne rien dire d'un synchrotron, non seulement à cause de la masse des appareils en question, mais aussi parce qu'il faut appliquer aux échantillons des traitements bien souvent laborieux  avant de pouvoir se livrer à la moindre analyse.

Mais attendez un peu. Pourquoi vouloir dépenser des dizaines de milliards pour rapatrier sur Terre quelques roches martiennes, alors que nous possédons déjà, dans les tiroirs et coffres de nos musées et laboratoires, de superbes spécimens de météorites martiennes, d'ailleurs toujours plus nombreuses et plus diversifiées, à mesure que les découvertes s'accumulent. Pourquoi vouloir se lancer dans une entreprise incroyablement risquée, et qui nécessitera des collaborations internationales, pour collecter des roches similaires à celles que la Nature nous a fournies gracieusement sur Terre ?

Simplement parce que, aussi fascinantes soient-elles, les météorites martiennes présentent beaucoup trop d'inconvénients quand il s'agit de forcer la planète rouge à nous livrer ses secrets. Premièrement, leur origine martienne n'est pas certaine à 100 %, et seul un retour d'échantillons permettra justement de confirmer que ces cailloux célestes proviennent bel et bien de Mars. Deuxièmement, malgré des efforts notables de recoupement entre leur composition minéralogique et chimique, et les observations menées depuis l'orbite, nous ne savons toujours pas de quelles régions elles sont les représentantes. Leur contexte géologique est donc inconnu, toute comme leur orientation par rapport au terrain d'où elles proviennent (un élément indispensable pour les mesures paléo-magnétiques). Lorsqu'un géologue prélève une roche sur Terre, il doit noter le maximum d'information sur la collecte elle-même et sur le terrain où elle a lieu. Ce n'est que replacée dans son contexte que la roche pourra livrer son histoire, et cette règle universelle est valable quelque soit la planète explorée.

Troisième écueil, les météorites martiennes ne sont guère variées du point de vue géologique : ce sont pratiquement toutes des roches volcaniques peu évoluées et assez jeunes, dont l'âge est à chaque fois, hormis pour l'une d'entre elles (ALH84001), inférieur à 1,4 milliard d'années. Les terrains les plus anciens de la planète Mars (noachien et hespérien) sont donc très mal représentés. De plus, aucune météorite martienne d'origine sédimentaire n'a jamais été trouvée sur Terre, sans doute parce que ce type de roches faiblement consolidée ne pourrait sans doute pas survivre à un impact puis à une rentrée dans l'atmosphère terrestre.

Ayant été arrachées sans crier gare de la planète rouge par la chute d'un astéroïde, les météorites martiennes sont aussi par définition choqués, à des degrés plus ou moins variés. Leur minéralogie ainsi que leur composition isotopique ont ainsi été affectés par une élévation brutale de la température, mais également par une vague de pression très forte (jusqu'à 60 giga-pascal) subie au moment de l'éjection. Enfin, l'irradiation encaissée durant le voyage qu'elles ont effectué dans l'espace (et qui peut durer des millions d'années) ainsi que la rentrée atmosphérique elle-même, ajoutent encore aux outrages liés à l'impact initial. Finalement, une fois sur Terre, elles sont rapidement altérées par le climat, et contaminées par des matériaux terrestres (minéraux ou organiques). On le voit, les planétologues sont pour l'instant contraints d'analyser ce que la planète Mars a bien voulu nous faire parvenir, et ces roches tombées du ciel, toutes miraculeuses soient-elles, ne sont pas forcément les plus intéressantes, ni celles que les scientifiques auraient prélevé s'ils avaient eu le luxe de pouvoir faire un choix.

Ce dossier, consacré aux missions de retour d'échantillons martiens, est découpée en quatre parties. Après un bref rappel historique, qui montre combien ce type d'entreprise occupe l'esprit des ingénieurs et scientifiques depuis le début de la conquête spatiale, nous examinerons un exemple de scénario proposé, celui du projet franco-américain  du programme Mars Surveyor de la NASA dans les années 2000. Nous étudierons ensuite d'une manière plus générale les différentes étapes charnières d'une mission capable de ramener sur Terre des fragments de Mars, avant d'aborder pour terminer un composant terrestre essentiel à cette mission : le laboratoire au sein duquel seront récupérés, analysés et stockés les échantillons, le SRF.

Une lancinante obsession : le retour d'échantillons dans les années 1970 et 1980

De par leur immense potentiel, les missions de retour d'échantillons martiens ont clairement été l'une des priorités majeures des agences spatiales à partir des années 1970, que ce soit du côté américain ou du côté soviétique. Après le triomphe des missions Viking en 1976, la NASA étudia notamment de nombreux projets robotiques pour continuer l'exploration de la planète rouge. Parmi eux se trouvaient des missions de rapatriement d'échantillons, vues comme la suite logique des Viking, et comme offrant le meilleur retour scientifique possible. Le retour d'échantillons constituait une sorte de fil rouge pour le futur, ce qu'il est encore aujourd'hui.

Avec le recul, quand on prend en compte l'incroyable complexité d'une telle mission, il apparaît clairement que tous les projets proposés vers la fin des années 1970 et les années 1980 se caractérisaient par des ambitions démesurées, un optimisme exagéré quant aux prouesses techniques imaginées, pour ne rien dire des masses faramineuses à lancer vers Mars (la navette étant encore vue à l'époque comme une solution optimale, fiable et bon marché), avec les coûts associés. En fait, tous les scénarios envisagés étaient totalement irréalistes, fruit d'une grande naïveté. Reste qu'un certain nombre d'idées novatrices avaient déjà vu le jour, et sont toujours considérées aujourd'hui comme des éléments clés.

Exploration des calottes polaires

Pour donner une idée des projets grandioses de retour d'échantillons imaginés dans le passé, citons pour commencer un exemple frappant, à porter au crédit des scientifiques (comme nous le verrons juste un peu plus bas, les ingénieurs ne sont pas en reste !). Juste après Viking, des chercheurs s'étaient donnés pour ambition d'étudier les calottes polaires martiennes, en collectant une carotte de glace de 50 mètres de longueur, pour la ramener ensuite sur Terre.

L'objectif derrière ce projet (Mars Polar Ice Sample Return) était de déchiffrer l'histoire de Mars au travers des enregistrements laissés dans la glace par les climats passés et l'évolution de l'atmosphère. Il est effectivement probable que comme sur Terre, la glace martienne des pôles ait gardée les traces de nombreux événements, comme des éruptions volcaniques, des impacts d'astéroïdes et de comètes, des tempêtes de poussières, voir même la présence de certains gaz ayant un intérêt exobiologique (comme le méthane), ou des particules organiques.

En 1986, Mars Polar Ice Sample Return consistait à envoyer, grâce à la navette spatiale, un atterrisseur très lourd, dérivé des Viking, accompagné d'un satellite permettant un rendez-vous en orbite avec le container protégeant le ruban de glace. Comme pour Viking, l'orbiteur aurait cartographié les calottes depuis l'orbite pour choisir un site d'atterrissage convenable, puis l'atterrisseur se serait séparé de son vaisseau porteur.

Or, à cause des difficultés d'atterrissage au niveau des hautes latitudes, des impératifs de protection planétaire et des problématiques de préservation, le prélèvement de glace est un objectif situé à la limite du possible, y compris encore aujourd'hui. La réfrigération de la carotte de glace (surtout durant des étapes où le stress thermique est très important, comme la rentrée atmosphérique), depuis sa collecte jusqu'à l'arrivée sur Terre, était d'une importance vitale dans la réussite de la mission, tout comme la conduite des opérations mécaniques (forage) à très basse température (-128°C). Ces deux impératifs comportaient des challenges techniques significatifs, qui, même actuellement, restent totalement rédhibitoires.

De l'importance des rovers : pourquoi ramasser ce qui traîne sur place si on peut se déplacer et explorer ?

L'un des premiers scénarios MSR proposés, juste après l'atterrissage des sondes Viking en 1976, consistait à envoyer sur Mars une réplique améliorée des atterrisseurs. Statique, comme son prédécesseur, l'engin ne pouvait que prélever localement des échantillons, sans pouvoir se déplacer, avant de ranger ceux-ci dans un véhicule de remontée, capable ensuite de rejoindre directement la Terre, sans passer par un rendez-vous intermédiaire en orbite martienne.

Ce projet, porté par la société Martin Marietta, et dont l'architecture reste simple, présentait plusieurs inconvénients, dont celui d'être contraint et forcé de ramasser les échantillons situés à portée immédiate du bras robotique, sans pouvoir effectuer un véritable choix. La technique consistant à récupérer directement ce qui se trouve autour de l'atterrisseur (grab sample en anglais) grâce à des dispositifs de collecte plus ou moins rudimentaires et variés (pelle, râteau, rubans et plaques enduites d'une substance collante, foret) présente effectivement très peu d'intérêt d'un point de vue scientifique. A l'opposé, la mise en œuvre d'un véhicule roulant offrait la possibilité de réaliser un travail d'échantillonnage bien plus sérieux, intéressant et crédible.

Post-Viking, les rovers étaient déjà considérés par de nombreux ingénieurs américains comme l'avenir de l'exploration martienne, et ils ont été rapidement privilégiés par le Jet Propulsion Laboratory (JPL), le centre de la NASA en charge des missions d'exploration du système solaire. Ce n'est d'ailleurs pas un hasard si le JPL a développé depuis une immense et impressionnante expertise avec les rovers, depuis le petit robot Sojourner de la mission Pathfinder en 1997, jusqu'au monstre de technologie que sont les rovers Curiosity et Mars 2020, en passant par les véhicules de taille intermédiaire Spirit et Opportunity.

Assez rapidement, la capacité à pouvoir se déplacer à la surface de Mars pour pouvoir collecter les échantillons les plus pertinents sur une large zone devient un élément clé des missions de retour d'échantillons. Dans le cadre du projet MSRS (Mars Sample Return System, étudié conjointement entre 1983 et 1989 par le JPL et le Johnson Space Center), les ingénieurs imaginent des robots très sophistiqués, pour explorer la surface sur de longues distances et ouvrir des accès scientifiques à des régions accidentées et sur lesquelles ils étaient très risqués de se poser.

L'un des véhicules conçus était ainsi composé de trois segments indépendants articulés les uns avec les autres, chacun doté de deux roues de 50 cm de diamètre (soit la taille des roues de Curiosity), et pesant 600 kg. Equipé de nombreux instruments scientifiques, de deux bras robotiques, d'un dispositif de forage, alimenté par un générateur thermoélectrique radioisotopique (RTG) similaire à ceux des atterrisseurs Viking, sa mission était de collecter plusieurs kilogrammes de roches pour les charger dans une fusée de remontée. Les déplacements du rover étaient programmés depuis la Terre, les communications étant rendues possibles par la présence d'un satellite de télécommunication, envoyé sur place pour l'occasion. Dans d'autres scénarios, un second rover était présent, pour fonctionner en tandem avec le premier, l'un pouvant aider l'autre dans la cartographie de la surface, indispensable à la planification des déplacements ainsi qu'à l'identification des régions les plus intéressantes d'un point de vue scientifique.

Proposés au milieu des années 1980, ces scénarios étaient, comme nous pouvons le voir, déjà très ambitieux. L'engin d'exploration du programme martien actuel qui se rapproche le plus de ce véhicule n'est autre que le rover Curiosity, qui explore le cratère Gale depuis 2012. A l'époque, les ingénieurs pensaient pouvoir franchir des distances très importantes, et parcourir jusqu'à 1000 kilomètres. A titre de comparaison, depuis son atterrissage en 2004 et jusqu'à la fin des communications en juin 2018 (soit une période de fonctionnement de 14 ans), le rover Opportunity a déambulé sur environ ... 45 kilomètres ! On mesure ici l'écart très important des premiers projets de retour d'échantillons avec l'implacable réalité.

Retour d'échantillons tout-en-un

Etant donné que toute mission de retour d'échantillons implique la réalisation d'étapes charnières, bien identifiées, comme la capacité à atterrir sur Mars, la collecte de petites quantités de gaz, de sols et de roches, l'envoi des échantillons dans l'espace, que ce soit pour un rendez-vous en orbite martienne avec un véhicule de retour, ou un envoi direct vers la Terre, les communications radio, le nombre de composants techniques nécessaires devient rapidement très important. Si les scénarios actuels prévoient des lancements étalés dans le temps, il y a plusieurs décennies, les ingénieurs n'hésitaient pas à envisager des vaisseaux monstrueux et modulaires, véritables couteaux suisses spatiaux.

Sur ce sujet, on peut citer l'IVS (Interplanetary Vehicle System) proposé en 1984, qui aurait pesé presque 10  tonnes, et dont la mise en orbite martienne était effectuée par aérocapture (une technique qui n'a encore jamais été mise en œuvre à ce jour). Possédant un fuselage biconique hérité des têtes d'ogives nucléaires, il renfermait un nombre invraisemblable de modules robotiques conçus pour mener à bien l'une ou l'autre des étapes cruciales d'un retour d'échantillons.

Voyons de quoi il retournait : l'IVS comportait deux blocs principaux. Le premier, baptisé MEC (Mars Entry Capsule, avec sa barrière biologique), et supportant le système d'entrée (MES, Mars Entry System), contenait une plateforme d'atterrissage (Mars Lander Module, MLM), elle-même équipée d'un rover alimenté par RTG, la capsule de retour (SCA, Sample Canister Assembly), la fusée de remontée (MABM, Mars Ascent Boost Vehicle, une fusée à trois étages) et enfin le véhicule de rendez-vous (MRV, Mars Rendez-vous vehicle). Le second compartiment comportait un orbiteur de cartographie et de télécommunication (MOV, doté de panneaux solaires), et englobait également le véhicule de retour (ERV), avec sa capsule de 50 kg (EOC, capable de contenir 5 kg d'échantillons rangés dans 20 tubes), au sein de laquelle était sensé prendre place le SCA.

Deux vols de navette spatiale auraient été nécessaires pour monter ce gigantesque mécano en orbite terrestre, ainsi que l'étage supérieur Centaur indispensable pour l'injection vers Mars. Pour la descente vers le sol martien, le module d'atterrissage comportait un système d'évitement de dangers pour négocier les différents obstacles pouvant mettre un terme à la mission (rochers, pentes trop importantes, etc.), un système qui même encore aujourd'hui n'a encore jamais été testé sur Mars (le système TRN de la mission Mars 2020 est ce qui s'en approche le plus). La fusée de remontée pesait 2 000 kg, mesurait 5,4 mètres de hauteur (pour un diamètre de 2 mètres), et il fallait une grue pour hisser les échantillons au sommet (le chargement s'effectuant alors que la fusée était déjà dressée à la verticale). Revu en 1986 pour en diminuer le coût, la complexité et la masse, ce projet mégalomaniaque fut finalement abandonné. Inutile de préciser que ce type d'architecture tout-en-un, dont la sophistication augmente en flèche les risques, n'est plus à l'ordre du jour.

Face à l'inflation faramineuse des budgets d'une mission de retour d'échantillons, qui sont encore augmentés par l'impératif de respect des règles de protection planétaire (une thématique qui fera l'objet d'un dossier indépendant), les ingénieurs se sont creusés la tête pour tenter de faire baisser l'addition. De nombreuses options ont ainsi été étudiées, comme l'aérocapture pour la mise en orbite du véhicule de retour, la fabrication sur place de carburants pour la fusée de remontée (ISRU), la diminution de la masse des échantillons à faire revenir sur Terre, l'élimination des rovers (les échantillons étant alors collectés à l'endroit même où le véhicule de retour se pose), le positionnement du MAV sur le rover plutôt que sur une plateforme statique, ou encore un retour direct vers la Terre sans passer par un rendez-vous orbital. Mais, pour chacune de ces options, les avantages sont toujours associés à des inconvénients de même ampleur.

Par exemple, le retour direct semble une bonne idée, tant le ballet orbital permettant à un orbiteur d'aller attraper le petit container sphérique semble complexe et risqué. La mise en œuvre d'une fusée de retour capable, depuis la surface martienne, d'atteindre directement la Terre, implique cependant de poser au sol des masses considérables, et diminue également fortement la quantité d'échantillons récupérés (100 grammes au lieu de plusieurs kilogrammes).

Quelque soit le scénario élaboré, aucune solution géniale n'a jamais été trouvée, et par conséquent, aucune mission de retour d'échantillons ne s'est jamais concrétisée, y compris les plus simples, comme la récupération d'une petite quantité d'air et de poussière lors d'une traversée unique de l'atmosphère, à plusieurs dizaines de kilomètres d'altitude (proposée par exemple par le projet SCIM dans le cadre des missions Scout de la NASA en 2002).

La solution d'une collaboration internationale

Suite à l'annulation successive d'une multitude de projets de retour d'échantillons au grand dam des scientifiques, les ingénieurs se rendent compte de la nécessité de simplifier les architectures proposées, et de réduire encore plus les coûts en partageant les dépenses entre des partenaires internationaux. Le projet iMRSR (international Mars Rover Sample Return) proposait ainsi de faire porter la charge du véhicule de retour à un partenaire non américain (les échantillons étant ensuite récupérés sur l'ISS et descendu sur Terre via la navette spatiale). Fragilisé par l'accident de la navette Challenger en 1986, il sera annulé dans le sillage de la Space Exploration Initiative (SEI) proposée par le président George H. W. Bush, et dont le coût estimé de 500 milliards réparti sur 20 à 30 ans fut jugé délirant.

Petit à petit, les missions de retour d'échantillons finissent par perdre leur aura à l'aube des années 1990, tandis que l'intérêt de la NASA se porte de plus en plus vers des missions de réseaux, dont le concept, qui consiste à envoyer vers Mars des essaims de stations de mesures, pour réaliser des études météorologiques et sismiques, recevra de plus en plus de support de la part des décideurs. Hélas, là encore, les ingénieurs et les scientifiques prennent leurs rêves pour la réalité, et l'ambitieux projet MESUR (dont l'objectif était de déployer 16 stations au sol), et ce malgré son immense intérêt scientifique, finira lui aussi par être annulé. La seule concrétisation dans la réalité de ce projet lui aussi pharaonique sera le lancement d'un seul module porteur d'une toute petite charge utile, le démonstrateur technologique Pathfinder, en 1996 (on le voit là encore, la comparaison entre ce qui était imaginé et ce qui a vraiment eu lieu est édifiante).

Pour la défense des agences spatiales, il faut reconnaître que suite aux missions Viking de 1976, et après la perte dramatique de la sonde Mars Observer en 1992, notre connaissance de Mars au début des années 90 était encore très parcellaire. La situation est radicalement différente aujourd'hui. Suite à la reprise du programme d'exploration martien au début des années 2000, deux points fondamentaux pour une mission de retour d'échantillons vont changer la donne : une cartographie toujours plus précise de la surface de Mars, notamment d'un point de vue minéralogique et altimétrique, et la présence sur place d'un nombre toujours plus grand de satellites capables de jouer le rôle de satellites de télécommunications. Auparavant, les missions MSR proposées incluaient leurs propres satellites de support, qui devaient réaliser une cartographie depuis l'orbite martienne, permettre la reconnaissance et la certification de sites d'atterrissage, avant d'enclencher la dé-orbitation (séparation) du module d'atterrissage proprement dit. Ces satellites devaient aussi relayer les communications entre les engins au sol et les centres de contrôle terrestres. Les agences spatiales ne disposaient alors pas de l'infrastructure de télécommunication qui existe aujourd'hui autour de Mars (plusieurs orbiteurs américains, épaulés par des satellites européens). Il est intéressant de rappeler que pour communiquer avec la Terre, Curiosity s'appuie sur une flottille de satellites envoyés pour certains plus de ... dix années auparavant. A cela s'ajoute, du côté américain, une maitrise toujours plus grande des atterrissages, une amélioration spectaculaire de leur précision, et une augmentation des masses déposées en douceur sur le sol martien (qui plafonne maintenant à une tonne).

Après la période creuse du début des années 90s, il faudra attendre 1996, et le cataclysme provoqué par l'annonce de la découverte de formes de vie potentielles dans la météorite martienne ALH84001, pour que les missions de retour d'échantillons retrouvent une certaine grâce aux yeux des agences spatiales. Le projet conjoint franco-américain proposé dans les années 2000 par l'agence spatiale américaine (NASA) et l'agence spatiale française (CNES), décrit dans un dossier spécifique et dont nous allons reprendre succinctement les principaux éléments ci-dessous, est un bon exemple. Mais, vous l'aurez sans doute déjà compris, comme tous les autres projets de retour d'échantillons proposés jusqu'à présent, la mission dont il va maintenant être question n'a pas échappé à une annulation.

Mars Surveyor 2003-2005 et le programme PREMIER

En 1997, le ministre de la Recherche Claude Allègre propose à la NASA de coopérer avec la France pour ramener sur Terre des échantillons de la planète Mars. L'idée d'une collaboration franco-américaine fait son chemin et un plan d'action est rapidement établi.

Seul moyen véritable de prouver l'existence d'une vie martienne passée ou présente, et de confirmer la réalité des microfossiles d'ALH84001, le retour d'échantillons est intégré au programme Mars Surveyor de la NASA, qui consiste à envoyer à chaque opportunité de lancement (tous les 26 mois en moyenne) des sondes martiennes. Dans le planning initial, la mission de retour d'échantillons était l'objectif à long terme du programme Mars Surveyor, mais l'affaire de la météorite ALH84001 va précipiter de manière sensible les choses : la campagne MSR est désormais programmée sur la période 2003 et 2005. Hélas, le programme Mars Surveyor, dont la philosophie chère à l'administrateur de la NASA alors en poste, Dan Goldin (faster, better, cheaper, c'est à dire plus vite, mieux et moins cher), n'était en fait absolument pas adapté à une entreprise aussi ambitieuse, risquée et couteuse qu'un retour d'échantillons martiens.

Coté planning, en 2003, une fusée Delta III américaine devait lancer un atterrisseur muni d'un véhicule de remontée (MAV) et un robot mobile de classe intermédiaire. La tâche principale du véhicule était de collecter des échantillons de roches et de sols grâce à un bras motorisé et un dispositif de forage. Une fois recueillis, les échantillons étaient transférés dans un petit container placé à bord de la fusée de remontée. Un système de forage monté sur l'atterrisseur devait également recueillir des échantillons à 1 ou 2 mètres de profondeur. Une fois les opérations de collecte terminées, la fusée de remontée (MAV) à deux étages décollait en direction de l'orbite basse martienne. A 600 kilomètres d'altitude, elle abandonnait le container et son précieux chargement, qu'un orbiteur français, baptisé PREMIER, devait venir chercher deux années plus tard.

En 2005, une fusée Ariane 5 était supposée décoller du centre spatial de Kourou en Guyane avec à son bord un nouveau couple atterrisseur/robot (pour effectuer une nouvelle collecte) et l'orbiteur dédié à la récupération des containers. Ce vol aurait également été l'occasion de lancer les quatre petites stations de la mission de réseaux NetLander. Après s'être placé en orbite autour de Mars par aérocapture en 2006, l'orbiteur devait se lancer à la chasse aux containers. Une fois les petites sphères localisées, l'orbiteur se trouvait devant la lourde tâche de les récupérer avant de les transférer dans une capsule de retour. Il pouvait alors fièrement reprendre le chemin du retour. En 2008, au voisinage de la Terre, l'orbiteur achevait sa mission en larguant la capsule puis en se plaçant sur une orbite solaire d'évasion.

Le beau scénario que nous venons de décrire sera dramatiquement remis en question peu après la perte, à quelques mois d'intervalles, de Mars Climate Orbiter et Mars Polar Lander fin 1999, des tensions politiques entre les Etats-Unis et la France n'ayant pas non plus arrangées les choses. Fortement ébranlée par ses deux échecs consécutifs (dus principalement à un sous-dimensionnement des budgets ayant entrainé une diminution critique des tests et de l'effort de documentation), la NASA restructure son programme martien, et reporte sur le long terme la mission de retour d'échantillons, avant de l'annuler définitivement en octobre 2000, laissant son partenaire principal, la France, dans l'embarras. Pour que tout soit clair, l'agence spatiale américaine rajoute qu'il ne faudra pas compter sur une telle mission avant ... 2011.

Des échantillons martiens sur Terre pour 2031-2033 ?

Une courte pression sur le bouton d'avance rapide, pour se retrouver presque dix années plus tard. Nous sommes en 2019, et les communiqués de presse de la part des deux principales agences spatiales (la NASA et l'ESA) sur un retour d'échantillons martiens fleurissent à nouveau. Depuis l'annulation de la mission conjointe franco-américaine des années 2000, d'autres concepts de mission ont été évoqués, mais, comme leurs infortunés prédécesseurs, aucun n'a jamais quitté le stade du bureau d'étude pour rejoindre le pas de tir. On pourra notamment citer l'initiative conjointe d'exploration de Mars signée en octobre 2009 entre la NASA et l'ESA, et qui prévoyait un retour d'échantillons dans le cadre du programme ExoMars, avant que l'agence spatiale américaine annule un composant critique de l'architecture (le rover MAX-C, qui deviendra en fait Curiosity) et ne se désengage totalement du dossier en 2012, en suscitant un fort émoi au sein de la communauté scientifique internationale.

Pourtant, en 2018, la NASA se rapproche de nouveau de l'ESA pour évoquer un retour d'échantillons conjoint. Cette énième tentative aboutira-t-elle ? C'est tout à fait possible, car deux points particuliers doivent retenir notre attention. Premièrement, l'agence spatiale américaine s'apprête à lancer en 2020 un rover similaire à Curiosity, et donc l'objectif principal sera de collecter des échantillons dans les terrains sédimentaires, deltaïques et lacustres, du cratère d'impact Jezero. Le second, c'est que la Chine, devenu entretemps un acteur majeur de l'exploration spatiale, a annoncé l'envoi d'une mission de retour d'échantillons vers Mars en 2022, dont l'architecture sera similaire à Chang'e 5, une mission de prélèvement d'échantillons lunaires dont le lancement est prévu pour 2019.

Si elle se déroule comme prévu, Chang'e 5 sera la première mission de retour d'échantillons de sol lunaire depuis la sonde soviétique Luna 24 en 1976 (en 1970, 1972 et 1976, l'URSS avait effectué avec succès des retours d'échantillons de sol lunaire lors des missions Luna 16, Luna 20 et Luna 24). Contrairement aux missions soviétiques, qui privilégiaient un retour direct des échantillons depuis la Lune vers la Terre, les chinois ont fait le choix de la complexité, avec une phase de rendez-vous en orbite lunaire. Bien que cette décision ait peut-être été prise pour maximiser la masse des échantillons (environ 2 kilogrammes dans le cas de Chang'e 5 contre 100 grammes pour Luna 24), il est difficile de ne pas y voir une coïncidence avec le retour d'échantillons martiens, dont la plupart des scénarios prévoient un rendez-vous en orbite avant le retour vers la Terre. Il est très probable que les chinois utilisent la Lune pour tester l'architecture d'une mission de récupérations d'échantillons martiens.

Mars 2020 : la première véritable brique d'une mission de retour d'échantillons

Comme indiqué ci-dessus, un scénario conjoint de retour d'échantillons, programmé pour la décennie 2020-2030, est actuellement en cours d'étude par la NASA et l'ESA. Son architecture, robuste, repose sur des données scientifiques toujours meilleures pour la sélection des régions à explorer, une maitrise technologique de plus en plus aboutie notamment sur les atterrissages, et un intérêt international toujours aussi fort pour l'analyse sur Terre d'échantillons martiens.

Cette nouvelle campagne de retour d'échantillons est architecturée autour de plusieurs lancements, de manière à réduire les challenges technologiques par mission, permettre une ré-utilisation des systèmes développés pour des missions précédentes, et offrir une grande flexibilité. Contrairement au programme PREMIER décrit plus haut et qui s'articulait autour de deux lancements, la campagne maintenant envisagée pour la prochaine décennie comporte trois départs séparés, dont le premier est déjà en bonne voie, puisqu'il s'agit de la mission Mars 2020. Pour l'instant, au moment où ce document est rédigé, Mars 2020 est la seule mission d'un scénario de retour d'échantillons à avoir été approuvée et financée. A part cette dernière, toutes les descriptions relatives aux autres segments d'un retour d'échantillon dont il va être question  plus bas (récupération des échantillons, envoi dans l'espace, retour sur Terre) sont pour l'instant purement conceptuelles.

La première mission d'une éventuelle campagne de retour d'échantillons va donc consister à envoyer sur Mars un rover possédant des capacités d'analyses et de collecte. En juillet 2020, le frère jumeau de Curiosity, le rover 2020, devrait s'envoler à bord d'une fusée Atlas V depuis le centre spatial de Cap Canaveral en Floride. Son objectif est d'atterrir à l'intérieur du cratère Jezero le 18 février 2021, pour évaluer l'habitabilité de l'endroit, rechercher d'anciennes traces de vie, et collecter pour la première fois des échantillons martiens (roches et régolite) en vue d'un futur retour sur Terre. Comme Curiosity, il utilisera une grue aéroportée (skycrane) pour rejoindre la surface martienne, seul système autorisant pour l'instant la dépose sur Mars de charges lourdes avoisinants une tonne. Bénéficiant, comme Curiosity, une entrée guidée, il effectuera un atterrissage avec une précision sans précédent, grâce à deux nouvelles techniques : trigger range (ouverture du parachute d'après la position sur la trajectoire suivie) et TRN (Terrain Relative Navigation), ou navigation relative par rapport au terrain. Ce type de dispositif d'aide à la navigation et d'évitement de dangers était évoqué dès les années 1970 pour des missions MSR. Un dossier complet sera consacré prochainement à Mars 2020, et nous n'allons dresser ici qu'un rapide résumé de la mission, à l'exception du système de collecte des échantillons, qui sera décrit en détails.

La charge utile de Mars 2020

D'un point de vue design, si le rover de Mars 2020 est en tout point presque similaire à Curiosity (sauf pour les roues, dont la résistance a été augmentée), sa charge utile est bien différente, et comporte des instruments inédits, qui attestent d'un changement radical de direction quant aux stratégies mises en œuvre pour explorer Mars. Comme vu en introduction, il sera fondamental pour les scientifiques impliqués dans la mission de réaliser une caractérisation sans faute du contexte géologique avant de procéder à des prélèvements. La valeur scientifique d'un ensemble d'échantillons dépend effectivement de la qualité des mesures in-situ (effectuées sur le terrain) ayant présidées à leur sélection. Les roches devront être finement étudiées à différentes échelles, pour pouvoir identifier les conditions de dépôts (comment la roche s'est mise en place) ainsi que le niveau d'altération des minéraux, ce processus pouvant effectivement effacer des indices essentiels. A chaque prélèvement, de nombreuses informations devront être scrupuleusement documentées, comme la position de l'échantillon par rapport à la stratigraphie, ainsi que son orientation par rapport à la surface martienne.

Si les roches sédimentaires (carbonates, argilites) du système deltaïque et lacustre mis en évidence au niveau du cratère Jezero constitueront bien entendu des cibles de choix pour la recherche de traces de vie passées, le prélèvement d'autres types de roches ou de matériaux sera également fondamental. Des roches magmatiques (comme des laves volcaniques) serviront par exemple à réaliser des datations absolues dans les laboratoires terrestres, un élément essentiel pour pouvoir calibrer les échelles relatives de temps martiennes (définies par comptage des cratères d'impact). Elles permettront également de préciser les scénarios de formation et d'évolution de Mars, et fourniront de nombreuses contraintes sur sa structure interne. Des échantillons de régolite permettront de quantifier la dangerosité du sol martien pour des missions habitées, et livreront des données de première importance sur les interactions surface/atmosphère. Enfin, même si le rover Mars 2020 n'aura pas pour tâche de prélever de l'atmosphère (cet objectif étant laissé aux missions suivantes), le retour sur Terre d'une petite quantité d'atmosphère éventuellement comprimée (50 cm3) permettrait d'effectuer des avancées majeures sur l'histoire de la formation et de l'évolution de l'atmosphère martienne.

Pour mener à bien sa mission, Mars 2020 dispose donc d'une charge utile spécialement conçue pour la documentation du contexte géologique et la sélection des échantillons les plus pertinents, avec notamment des capacités d'imagerie couleur, et d'identification des minéraux et des matériaux organiques à une échelle à la fois macroscopique et microscopique. En plus du retour d'échantillons, Mars 2020 va également contribuer aux futures missions habitées, en étudiant la toxicité de la poussière et du sol martien, et en testant un dispositif (MOXIE) capable de générer sur place de l'oxygène à partir du dioxyde de carbone (CO2) contenu dans l'atmosphère martienne, et qui pourrait permettre à terme de fabriquer localement du carburant (ISRU) pour un véhicule de remontée (que ce soit pour un retour d'échantillons ou une mission habitée).

La liste des instruments transportés par le rover est la suivante :

  • SuperCam : un ensemble d'instruments capables de fournir des informations chimiques et minéralogiques, ainsi que des images en couleurs du sol et des roches à distance (plusieurs mètres). Version musclée de l'instrument ChemCam monté sur Curiosity, SuperCam comporte un LIBS (spectrométrie d'ablation laser), un spectromètre Raman, un spectromètre infrarouge, et enfin une caméra (Remote Micro-Imager) couleur. Pour la reconnaissance des terrains où évoluera le rover, SuperCam (installé sur un mât) sera très brièvement épaulé par un hélicoptère miniature expérimental (le MHS).
  • Mastcam-Z : une caméra stéréoscopique couleurs avec zoom, montée sur un mât (sachant que la mission en embarque 23 en tout, 9 caméras d'ingénierie, 7 caméras scientifiques et 7 caméras pour la phase d'atterrissage, un record !).
  • PIXL (Planetary Instrument for X-Ray Lithochemistry) : spectromètre de fluorescence à rayons X, permettant de déterminer sur des échelles très fines la composition élémentaire des matériaux martiens. L'instrument est situé à l'extrémité du bras robotique sur une tourelle rotative. Il remplace le spectromètre APXS, embarqué sur de nombreuses missions (Spirit et Opportunity, Curiosity) depuis sa première utilisation sur Mars dans le cadre de la mission Pathfinder en 1996.
  • SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals) : spectromètre Raman ultraviolet avec une capacité cartographique et un laser ultraviolet permettant de détecter des composés organiques par fluorescence, le tout à petite échelle. L'instrument est lui aussi situé à l'extrémité du bras robotique.
  • RIMFAX (Radar Imager for Mars' subsurface experiment) : radar à pénétration de terrain permettant la détection de discontinuités, de rochers enterrés, de météorites, ainsi que de réservoirs d'eau ou de saumures jusqu'à 10 mètres de profondeur.
  • MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer) : ensemble de capteurs environnementaux pour mesurer la température, la vitesse et la direction des vents, la pression, l'humidité, les radiations, ainsi que la taille et la forme des particules de poussière.
  • MOXIE (Mars Oxygen ISRU Experiment) : une usine chimique miniature qui devra prouver la possibilité de fabriquer de petites quantités d'oxygène à partir de l'atmosphère martienne.

Dispositif de collecte des échantillons : Sampling and Caching System (SCS)

Occupant la moitié de la charge utile en termes de masse, le dispositif de prélèvement d'échantillons de Mars 2020 représente probablement le développement technologique le plus important de la mission. Baptisé initialement Sampling and Caching System (SCS), il comporte un grand nombre de défis techniques que les ingénieurs se sont employés à résoudre, et est absolument critique pour le succès de la mission, et la progression du programme d'exploration martien vers un retour d'échantillons.

Le système de prélèvement de Curiosity, développé par le Jet Propulsion Laboratory et qui a donné beaucoup de fils à retordre aux ingénieurs, que ce soit pour son développement ou son utilisation sur Mars, a montré à quel point un tel système est complexe et fragile. Les déboires regrettables de l'instrument HP3 de la mission InSight rappellent également combien toute tentative de forage est par définition risquée, et combien toutes les tentatives d'intervention et de réparation sont limitées sur une planète distante de plusieurs centaines de millions de kilomètres.

Par rapport au système de prélèvements d'échantillons de Curiosity (SA/SPaH, Sample Acquisition/Sample Processing and Handling) qui a pour principal objectif de prélever des sections de roche et de les réduire en poudre fine, le SCS de Mars 2020 est basé sur un design totalement différent, pour lui permettre de remplir un nombre varié de fonctions : préparation des surfaces rocheuses avant prélèvement, carottage, scellement étanche des échantillons dans des tubes individuels, stockage et enfin dépose de ces derniers à la surface de Mars dans un ou plusieurs secteurs convenant aux dépôts. Point supplémentaire important, toutes ces opérations devront être réalisées en respectant des contraintes de propreté organique, minérale et biologique, liées aux règles de protection planétaire, plus strictes que pour n'importe quelle autre mission jamais envoyée vers Mars.

En termes d'objectifs, Mars 2020 dispose d'un total de 42 tubes à échantillons qui ressemblent à des stylos, et sera capable de prélever 37 échantillons de roches ou de régolite (le prélèvement de poussière ou d'atmosphère n'est pas prévu, et devrait être réalisé par une future mission de récupération). Il devra en remplir 20 durant sa mission nominale d'une durée d'une année martienne.

Chaque échantillon de roche consistera en une section cylindrique (carotte) de 1 centimètre de diamètre, prélevée dans les 5 premiers centimètres de la surface d'une roche, et pensant environ 15 grammes. Cette quantité a été jugée nécessaire pour pouvoir tripler toutes les analyses considérées comme essentielles (et qui seront effectuées dans différents laboratoires terrestres, et si possible par différentes méthodes), et conserver 40 % de la masse pour les générations futures.

Fabriquée par le système de carottage (corer), les cylindres rocheux seront placés dans des tubes individuels ultra-propres en titane, d'une contenance d'environ 10 cm3. L'un des challenges liés à la réalisation des carottes sera de conserver l'intégrité de la roche de la façon la plus complète possible, y compris pour des matériaux peu consolidés, et d'éviter les fractures, ou pire, la fragmentation en morceaux (qui pourraient ensuite empêcher la reconnaissance de certaines biosignatures, comme par exemple les laminations de stromatolithes). Le régolite sera quant à lui prélevé par un foret dédié.

Durant le carottage et le stockage sur Mars, la température des échantillons ne devra jamais dépasser 60°C (les tubes étant recouverts d'un matériel réfléchissant les rayons du soleil). De plus, de manière à minimiser les pertes en composés volatils, les échantillons seront scellés hermétiquement immédiatement après leur acquisition. Le conditionnement devra empêcher tout risque de confusion entre différents échantillons. Les risques de contamination croisée, ou d'altération de la stratification, devront également être pris en compte. Enfin, comme nous l'avons déjà évoqué, les contraintes pesant sur la contamination qui devront être respectées seront très fortes : stérilité absolue (moins d'un micro-organisme terrestre par tube), limites très faibles pour plusieurs dizaines d'éléments pouvant affecter les mesures géochimiques, et enfin contamination organique presque nulle.

Pour pouvoir réaliser ses objectifs, le SCS s'appuie sur de nombreux sous-systèmes :

  • un jeu de 42 tubes en titane rangé dans un distributeur.
  • une tête de forage (corer) fonctionnant par rotation et percussion similaire à celle de Curiosity, mais modifiée pour pouvoir récupérer des carottes, et non de la poudre.
  • un jeu de forets monté sur un carrousel (5 forets pour le carottage, 2 forets abrasifs pour la préparation de la surface des roches avant prélèvement, et un foret adapté au prélèvement du régolite martien). Les forets dédiés à la préparation des surfaces permettront d'abraser une zone circulaire d'environ 4 centimètres de diamètre, de manière à faciliter les analyses de proximité par les instruments montés sur la tourelle du bras principal du rover (PIXL et SHERLOC).
  • un dispositif central baptisé ACA (Adaptative Caching Assembly), monté à l'intérieur du rover et qui possède son propre bras robotique à trois degrés de liberté (le SHA, Sample Handling Arm) pour déplacer les tubes au niveau de différentes stations.
  • Un ensemble de stations techniques (faisant partie de l'ACA) pour permettre la prise d'images, des mesures de volume, le scellement, le stockage et enfin la libération des tubes d'échantillon remplis.
  • un dispositif permettant d'ôter la poussière (gDRT, gas-based Dust Removal Tool), qui utilise une buse projetant un jet puissant d'azote pour enlever la couche de poussière ainsi que les particules générées durant l'abrasion des surfaces, et qui pourraient venir masquer des détails structuraux et texturaux importants des roches ciblées.

Prélèvement des échantillons

Pour prélever un échantillon, le bras robotique SHA situé à l'intérieur du châssis de Mars 2020 commence par saisir un tube de prélèvement vide au niveau de la zone de stockage (qui sert donc aussi de distributeur), pour l'insérer sur un foret en acier, qui est ensuite lui-même rentré dans le dispositif de carottage. Le foret est positionné contre la roche (dont la surface a été aplanie au préalable et nettoyée), et une carotte est réalisée, soit en mode rotation seulement, soit en mode rotation et percussion. Une fois le cylindre rocheux sectionné au niveau de sa base, le bras robotique s'accouple à nouveau avec le carrousel. Le foret est retiré du bras, et, grâce à la rotation du carrousel, présenté au dispositif ACA.

Le tube à échantillon, maintenant rempli, est retiré de l'embout de la fraiseuse, et passe par différentes stations, dont l'une (vision station) est équipée d'une caméra d'ingénierie (CacheCam), qui permettra aux ingénieurs de regarder à l'intérieur du tube et d'évaluer l'état et l'intégrité de ce dernier. Une seconde station (volume assessment station) permet de mesurer le volume de l'échantillon acquis. Une autre (tube warning station) servira à réchauffer les tubes si nécessaire. Enfin, le tube est ensuite dirigé vers une station d'obturation (sealing & drop-off station), ou il est scellé par un bouchon (fourni par un distributeur), puis replacé dans la zone de stockage, à sa position initiale. Enfin, à certains moments, les tubes seront lâchés à la surface de Mars, dans des sites spéciaux dits de dépôts. Par rapport aux impératifs de protection planétaire, il est important de noter qu'à ce moment-là, l'extérieur des tubes sera en contact direct avec l'environnement martien. La façon dont les tubes seront manipulés et traités pour empêcher le retour accidentel d'organismes martiens potentiels sera de la responsabilité des missions futures.

Parmi les tubes embarqués sur le rover se trouvent cinq tubes témoins, pré-chargés avec un dispositif de prélèvement (witness plate assembly, WPA) ultra propre et contenant différentes substances (mousse d'aluminium, céramique) capables de capturer efficacement des contaminants moléculaires et particulaires, tels que des gaz, des résidus rejetés par les rétrofusées du système d'atterrissage, et d'une manière plus générale n'importe quel composé organique ou minéral terrestre emmené par accident sur Mars (et ce malgré toutes les précautions prises en amont). Les tubes témoins seront ouverts et exposés à l'environnement martien à proximité de certains sites de récoltes jugés critiques, puis scellés et conservés en vue d'une récupération future. L'un des tubes sera aussi ouvert durant la phase de croisière, puis scellé une fois à l'arrivée.

Dans les scénarios initiaux de retour d'échantillons, les tubes pleins étaient conservés et transportés par le rover, avant d'être déposé tous à la fois soit au sol, soit directement au niveau du véhicule de remontée. Depuis, la NASA a changé de stratégie, et a décidé d'opter pour une solution quelque peu particulière (étudiée dès les années 2000) pour maximiser la flexibilité et diminuer les risques, mais cependant pas forcément totalement convaincante, appelée "Adaptative caching".

Adaptative caching

L'idée derrière le concept d'adaptive caching consiste à abandonner à la surface de Mars, dans des endroits dont la position sera très bien documentée, à la fois localement (reliefs servant de points de repère) et depuis l'orbite, plusieurs tubes d'échantillons scellés (ces secteurs devront également être caractérisés par un niveau faible de déposition de poussière, pour des raisons évidentes). Charge ensuite à un rover d'une mission future d'arpenter la surface martienne pour atteindre la ou les zones de dépôts, et ramasser avec délicatesse les précieux tubes métalliques. Pour la NASA, l'objectif est d'éviter un scénario catastrophique dans lequel un incident empêcherait la récupération du container renfermant la totalité des échantillons collectés (appelé monolithic cache). En cas de pannes, le container pourrait effectivement se retrouver coincé à l'intérieur du rover. Devenu inamovible, sa récupération serait impossible. Un autre scénario est celui où le rover parvient à déposer le container en surface, à un endroit qui deviendrait ensuite, pour une raison quelconque, inaccessible pour le rover de récupération. Pour le NASA, un autre avantage de l'adaptative caching est de pouvoir décider après coup d'abandonner sur Mars quelques tubes, jugés finalement moins intéressant que prévu (cependant, avec le système de cache unique, il était également théoriquement possible de ressortir un tube non souhaité du container pour l'abandonner, et faire ainsi de la place pour un prélèvement supplémentaire).

Durant son exploration du cratère Jezero, le rover de Mars 2020 procédera donc ainsi : sur la base des observations orbitales, l'engin sera dirigé vers une zone d'intérêts jugée prioritaire (ROI), qu'il explorera en détails, et au sein de laquelle il prélèvera environ une dizaine d'échantillons. Le rover se déplacera alors vers une seconde zone d'intérêts, mais avant de l'explorer, il déposera les échantillons sur un site de dépôt adapté. La seconde zone d'intérêts sera alors étudiée en détails, et dix nouveaux échantillons seront acquis. Le rover retournera ensuite vers la zone de dépôt pour livrer sa nouvelle cargaison. L'exploration du cratère se poursuivra ensuite de la même façon, l'une des questions étant de savoir si, à un moment donné, une nouvelle zone de dépôt devra être ou non activée. La mise en place d'un nouveau dépôt permettrait effectivement de diminuer les allers et retours du rover, mais cette solution présente également un inconvénient. Il est effectivement possible que la mission de récupération des échantillons n'ait pas la capacité à naviguer sur de longues distances entre plusieurs sites de dépôts.

Avant de continuer, rappelons que pour l'instant, aucun mission de récupération n'a été approuvée ou financée par une agence spatiale. Le temps de résidence des échantillons de Mars 2020 avant leur ramassage est donc inconnu. D'un point de vue technique, les tubes et le système de scellement ont été conçus pour résister au moins 10 ans à la surface de Mars, et 10 ans supplémentaires en orbite.

La question à un million : qui ira récupérer les échantillons de Mars 2020 ?

En 2026, la NASA et l'ESA pourraient lancer une mission (à laquelle nous ferons référence ici par un acronyme générique, SRL pour Sample Return Lander) destinée à récupérer les tubes d'échantillons que le rover 2020 aura abandonné derrière lui durant son exploration du cratère Jezero. Lancée par une fusée Atlas V, la sonde sera injectée sur une orbite anormalement longue (deux années de croisière, contre 6 à 9 mois pour des trajectoires classiques), et son atterrissage à l'intérieur du cratère Jezero n'aura donc lieu qu'en 2028.

Une fois au sol, une plateforme d'atterrissage américaine (précision à l'atterrissage oblige) alimentée par panneaux solaires livrera passage à un rover européen de classe intermédiaire. Cette plateforme comportera également un élément fondamental et fascinant de toute mission de retour d'échantillons, le fameux véhicule de remontée (MAV). Comme le SRL est encore à l'état de concept, nous allons l'aborder ici d'une manière très générale, en évoquant différentes options.

L'un des premiers éléments clés pour la réussite de la récupération des échantillons est d'atterrir à proximité immédiate de la zone où le rover 2020 a fait ses petits tas de tubes métalliques. L'atterrisseur devra donc comporter un système d'évitement de dangers ou de gestion des reliefs de surface, ce qui explique qu'il soit obligatoirement américain, au vu de l'immense expertise dans ce domaine de la NASA. Pour permettre la sortie du rover et surtout le lancement du MAV, la plateforme devra également être la plus stable et la plus horizontale possible après l'atterrissage. Un dispositif de pieds ou de vérins sera peut-être employé pour permettre à la plateforme de s'ajuster avec le maximum de précision à la surface éventuellement accidentée du site d'atterrissage.

Le rover de collecte, qui sera en taille similaire aux Mars Exploration Rover (MER) ou au rover Rosalind Franklin d'ExoMars, pèsera environ 150 kg. Possédant un bon niveau d'autonomie pour les déplacements, il sera équipé d'un bras robotique spécialement conçu pour ramasser les tubes d'échantillons. Son rôle est de récupérer le maximum de tubes dans les trois mois après l'atterrissage. Il est possible qu'il reçoive aussi comme mission de prélever de petites quantités de sol (régolite), de poussière et d'atmosphère. En cas de problème, et en admettant qu'il soit toujours opérationnel, le rover de collecte pourrait recevoir le soutien du rover de la mission Mars 2020. Une fois son travail de collecte effectué, il reviendra vers la plateforme de tir et s'engagera sur une rampe.

A ce stade, l'une des options serait que le rover, grâce à son bras robotique, puisse déposer sa précieuse récolte à l'intérieur d'un container sphérique de transfert destiné à être placé en orbite (OS), et situé au sommet du second étage du MAV (qui est pour l'instant en position couchée). La plateforme de lancement sera cependant aussi vraisemblablement équipée d'un bras robotique sophistiqué et protégé par une barrière biologique, pour éviter toute contamination terrestre. Similaire à celui de la sonde Phoenix, ce bras comportera notamment une pelle ainsi qu'une caméra. Son rôle pourrait être de ramasser un peu de régolite se trouvant à portée. Des échantillons de roches de contingence (fragments et petits galets trainant en surface) pourraient également être ramassés au cas où la mission du rover de collecte échoue, et ce de façon à avoir au moins quelque chose à ramener sur Terre. Un petit volume d'atmosphère pourrait enfin être aspiré par un dispositif dédié. Se posera cependant la question de savoir comment ces échantillons pourront ensuite être scellés dans des tubes puis chargés dans le container de transfert (OS). Le bras de la plateforme servira également à faciliter le transfert des échantillons ramenés par le rover de collecte dans le MAV, et à fournir un outil de dépannage si besoin.

En termes de protection planétaire, la mission de récupération est considérée comme extrêmement sensible, étant donné que certains systèmes potentiellement pollués, comme le bras robotique permettant le chargement des échantillons dans le MAV, vont être en contact direct avec l'environnement martien, avec tous les risques de contamination par des matériaux terrestres que cela implique. Dans le cadre d'un retour d'échantillons, il est effectivement fondamental d'éviter des faux positifs, c'est à dire une situation où (par exemple) des microorganismes terrestres seraient confondus avec des microbes martiens.

Le MAV (Mars Ascent Vehicle)

Le véhicule de remontée constitue le dispositif critique de la mission de récupération. Un décollage depuis la surface de Mars vers l'orbite n'a effectivement été tenté que dans les films hollywoodiens, et, de toute la campagne du retour d'échantillons, il s'agira sans nul doute de l'étape la plus spectaculaire et émouvante, et aussi la plus risquée. Pouvoir assister, par rover interposé, au décollage d'une fusée depuis le sol de Mars sera un moment grandiose pour des millions de terriens, et une étape essentielle de l'histoire de l'exploration du système solaire et de la conquête spatiale sera alors franchie.

Le design du MAV repose actuellement sur des études effectuées par l'industrie et le Jet Propulsion Laboratory au début des années 2000. Pour des raisons techniques (les capacités de dépose d'une charge lourde sur Mars étant limitées pour l'instant à une tonne) et des questions de coût, la masse du MAV devra logiquement être minimisée, et la fusée n'aura donc pas la puissance suffisante pour propulser directement et avec précision son précieux chargement vers la Terre. Seule l'orbite basse martienne sera accessible, ce qui nécessitera ensuite la récupération du container à échantillons par un orbiteur.

D'une masse d'environ 300 kg, le véhicule de remontée sera une fusée à deux étages à combustible solide. Il sera stabilisé sur trois axes grâce à un système de contrôle d'attitude dédié, essentiel pour pallier à un décentrage du centre de gravité dans le cas d'une position non optimale de la charge utile (le container OS), une sphère d'environ 17 centimètres de diamètre et pesant approximativement 5 kg. Comme le rover de collecte, sa durée de vie sera d'une année, une période de temps suffisante pour qu'il puisse réaliser sa mission. De nombreuses technologies nécessaires au développement d'un véhicule de remontée fiable seront issues du domaine militaire.

L'une des principales fonctions de la plateforme de tir au sol sera d'isoler thermiquement le MAV de l'environnement martien pendant toute la durée de la mission. Pour empêcher la dégradation du combustible solide, il sera en effet impératif de maintenir le MAV à une certaine température, et de limiter l'amplitude des variations thermiques à seulement une demi-douzaine de degrés, ce qui représente un certain challenge au vu des contrastes énormes de température, journaliers et saisonniers, existant sur Mars. La fusée sera donc enfermée dans un silo dont les parois auront été rendues les plus isolantes possible grâce à un matériel poreux rempli de dioxyde de carbone (CO2), un peu à la façon de l'une des enveloppes thermiques (le RWEB) protégeant le sismomètre SEIS de la sonde InSight. De nombreux éléments chauffants radioisotopiques (RHU) seront mis en œuvre pour maintenir une température constante à l'intérieur du silo. Des radiateurs électriques seront aussi activés en vue du lancement. Enfin, des filtres HEPA protégeront le MAV des particules de poussière et autres contaminants.

Comme nous l'avons indiqué, le décollage du MAV de la surface martienne avec son chargement - les échantillons de roches, de sol, de poussière et d'air - constituera l'événement le plus spectaculaire et emblématique de la campagne de retour d'échantillons. Ce dernier devrait avoir lieu en moyenne huit mois après l'atterrissage du SRL. L'arrachement de la fusée du sol martien sur un pilier de feu sera suivi en temps réel, non seulement par le rover de collecte, mais aussi sans doute depuis l'orbite par des satellites, dont le véhicule de retour sur Terre. Si les images, ou mieux une vidéo du lancement enchanteront le public, les ingénieurs seront quant à eux obnubilés par les données télémétriques.

Le rôle du MAV est de placer le container sphérique renfermant les échantillons (OS) sur une orbite circulaire basse d'une altitude moyenne de 500 km, très stable à longue terme (50 ans). Une orbite inférieure à 400 km reste acceptable, le container pouvant quand même y rester en place pendant plusieurs décennies avant de finir par retomber sur Mars suite à la friction inévitable avec la haute atmosphère. Une fois à la bonne altitude, le second étage du MAV éjectera le container sphérique grâce à un petit ressort. L'objectif sera ici d'éloigner suffisamment l'OS, de manière à permettre sa capture par l'orbiteur de récupération à une distance respectable du MAV, qui est alors vu comme un objet potentiellement dangereux du point de vue des règles de protection planétaire.

ISRU : Fabriquer son carburant sur place pour réaliser des économies

Comme nous venons de le voir, le véhicule de remonté consommera des ergols solides, qui seront à base de paraffine. Mais une autre option, très séduisante mais bien plus complexe à mettre en œuvre, est également envisageable : celle de produire sur place, à partir du dioxyde de carbone de l'atmosphère martienne (CO2), du méthane (CH4) et de l'oxygène (O2). Proposée dès 1978, cette technique va être partiellement testée avec l'expérience MOXIE du rover de la mission Mars 2020, qui va valider la fabrication d'oxygène seule.

Trois solutions sont en fait possibles. La première consiste à fabriquer de l'oxygène, et à l'utiliser pour brûler du monoxyde de carbone (CO) produit à partir du dioxyde de carbone. Les performances en termes de poussée d'un tel couple sont cependant médiocres. Une seconde solution serait de fabriquer de l'oxygène, pour brûler de l'hydrogène (produit par électrolyse d'eau ou apporté sur place depuis la Terre). Si le couple H2/O2 est très utilisé dans l'industrie spatiale, les systèmes de réfrigération nécessaires pour maintenir les deux composés à l'état liquide consomment énormément d'électricité. C'est pourquoi la troisième solution (combustion de méthane par de l'oxygène) est celle qui présente le plus d'intérêt.

Dans ce cas de figure, le méthane est produit par la réaction de Sabatier, découverte en 1897 et qui a valu le prix Nobel de chimie à son inventeur, le français Paul Sabatier. Le composant majoritaire de l'atmosphère martienne, le dioxyde de carbone (CO2) réagit avec de l'hydrogène en présence d'un catalyseur pour donner du méthane (CH4) et de l'eau. L'eau est ensuite hydrolysée pour fournir de l'oxygène et de l'hydrogène, qui est alors recyclé. Les performances en terme de poussée du couple CH4/O2 sont bonnes (80 % de celle du couple hydrogène/oxygène) et le méthane est naturellement liquide aux températures martiennes. Les quantités à méthane et d'oxygène à produire sur Mars seront cependant conséquentes. Par exemple, pour un retour direct sans passer par l'orbite martienne d'un kilogramme d'échantillons, il faudrait synthétiser environ 3 780 kilogrammes d'ergols, ce qui prendrait plus d'une année à fabriquer avec une petite usine chimique.

Si le concept de retour d'échantillons proposé pour ramener les tubes du rover Mars 2020 sur Terre en 2031-2033 est entériné, il est fort probable que le MAV brûle un combustible solide. La fabrication in-situ de carburants serait alors mise en œuvre sur des missions futures, robotiques ou habitées.

Rendez-vous en orbite martienne

La troisième pièce maitresse d'un retour d'échantillon est un satellite (que nous appellerons ici simplement SRO, Sample Return Orbiter) dont le rôle sera de capturer en orbite martienne le container à échantillons placé par le MAV, pour le ramener ensuite sur Terre. C'est l'une des étapes la plus critique d'une campagne de retour d'échantillons, à la fois pour la réussite de la mission, mais aussi pour les risques de contamination qu'elle comporte.

Dans l'architecture actuellement mise en avant par la NASA et l'ESA, le lancement de l'orbiteur de retour aurait lieu en 2026, en même temps que le rover de récupération. Placé sur une trajectoire non standard d'une durée d'un an, il débarquera cependant dans la banlieue martienne en 2017, soit une année avant l'arrivée de la plateforme d'atterrissage équipée du rover de collecte et du MAV. Après sa mise en orbite autour de la planète rouge grâce à un moteur fusée (l'aérocapture étant passée aux oubliettes), il utilisera la technique d'aérofreinage pour ajuster ses paramètres orbitaux, et rejoindre une orbite circulaire de travail à 500 kilomètres au-dessus de la surface martienne. Environ six à huit mois après l'arrivée du rover de récupération, le véhicule de remontée (MAV) placera la capsule contenant les échantillons (OS, Orbiting Sample) sur une orbite comparable à celle parcourue par l'orbiteur.

Les scénarios précédents envisageaient un orbiteur architecturé autour d'un large réservoir d'hydrazine central, et flanqué de deux réservoirs supplémentaires de tétroxyde d'azote. De par la nature de sa mission, l'orbiteur de récupération nécessite effectivement l'emport d'une quantité double de carburant par rapport aux sondes envoyées jusque-là vers la planète rouge. Il devra non seulement se laisser capturer par le champ gravitationnel de Mars en freinant, pour ensuite s'en extraire et accélérer en direction de la Terre, une étape totalement inédite dans l'histoire de l'exploration martienne. Malgré la mise en œuvre de la technique d'aérofreinage, les deux tiers du poids de la sonde seraient donc dédiées au carburant. Le concept de mission le plus récent met cependant en œuvre une propulsion non pas chimique, mais électrique, l'énergie solaire étant utilisée pour accélérer à grande vitesse un gaz ionisé. L'avantage d'une telle propulsion permettrait d'économiser de la masse, et d'avoir accès à des orbites plus variées, ce qui pourrait faciliter le rendez-vous orbital avec le container d'échantillons.

L'orbiteur tirera son énergie de deux panneaux solaires flexibles et très larges. Des surfaces supplémentaires seront ajoutées pour offrir une plus grande trainée lors des opérations d'aérofreinage. Les communications avec la Terre seront assurées par une antenne orientable à grand gain de 1 mètre de diamètre, sans doute dans la bande X. Il n'est cependant pas impossible que le satellite utilise la bande de fréquence Ka, validée avec succès par la sonde américaine Mars Reconnaissance Orbiter (MRO). Le satellite SRO ne comportera aucun instrument scientifique, mais servira de relais de communication : il embarquera deux transpondeurs Electra qui serviront à établir des liaisons UHF avec les engins au sol. Le satellite pourra modifier son orientation dans l'espace grâce à un ensemble de moteurs de contrôle d'attitude. Ces derniers se révéleront indispensables durant la manœuvre de rendez-vous avec la capsule contenant les échantillons, montée en orbite par le MAV.

La manœuvre de rendez-vous avec l'OS sera sans nul doute l'opération la plus critique et la plus délicate affectée à l'orbiteur de récupération. Pour ce satellite, et les ingénieurs qui auront la lourde responsabilité de le contrôler, l'opération va ni plus ni moins consister à trouver une aiguille dans une botte de foin, puis à s'en emparer pour la ramener sur Terre. Le rendez-vous sera réalisé grâce à des dispositifs de détection optique, capables de repérer le container OS à plus de 10 000 kilomètres de distance, et déjà testés grâce à Mars Reconnaissance Orbiter (OpNav). Le container disposera d'un émetteur UHF, alimenté soit par batterie soit par des panneaux solaires. Ce dernier servira de moyen alternatif de signalisation, dans le cas où sa localisation optique s'avère délicate. Une fois sa minuscule cible repérée, l'orbiteur s'en rapprochera ensuite étape par étape, grâce à des séries de manœuvres propulsives programmées depuis la Terre. Bien entendu, plus l'injection du container par le véhicule de remontée (le MAV) aura été précise, moins l'orbiteur aura de travail pour aller à sa rencontre. La dernière dizaine de mètres sera parcourue de manière autonome. Le container sphérique contenant les précieux échantillons martiens sera capturé grâce à une sorte de panier de basket. Les technologies nécessaires pour réussir le rendez-vous et l'amarrage tireront notamment parti du retour d'expérience accumulée avec le projet militaire Orbital Express de l'agence militaire de recherche américaine, la DARPA.

EEV (Earth Entry Vehicle), la dernière pièce du puzzle

Une fois le container OS capturé par le panier à basket de l'orbiteur de récupération, ce dernier est transféré au niveau du véhicule d'entrée terrestre, l'EEV (Earth Entry Vehicle). Conçu pour être le plus simple possible, de façon à diminuer au maximum les risques, l'EEV ne sera rien d'autre qu'un bouclier thermique de 0,9 mètre de diamètre, qui accueillera la sphère en son centre.

Comme nous l'avons déjà vu, l'un des principaux challenges d'une mission de retour d'échantillons sera de répondre aux normes très strictes de protection planétaire. Etant donné son objectif, le satellite de retour sera placé en catégorie V, ce qui implique la mise au point de systèmes extrêmement fiables pour empêcher la contamination de l'environnement terrestre par des échantillons, ou par n'importe quel matériau martien qui aurait échappé au confinement. Ces impératifs concernent particulièrement l'EEV.

De manière à briser le contact entre l'environnement martien et la biosphère terrestre, le container renfermant les échantillons martiens devra être hermétiquement scellé dans une enceinte stérile (Containment Vessel, CV) au niveau du véhicule d'entrée, par une technique qui reste à déterminer (brasage, soudure par cordon explosif, etc.). Des dispositifs permettant la détection de fuites, même infinitésimales (gaz, aérosols) devront également être mis au point. Si le séjour prolongé du container d'échantillons dans le vide glacial entourant Mars devrait contribuer à diminuer efficacement la contamination des surfaces métalliques externes, aucun risque ne peut être pris à ce niveau.  Le développement de techniques permettant de sceller hermétiquement le container d'échantillons dans une enceinte, ainsi que de détecter des fuites, même minimes, représentent des challenges technologiques majeurs, peut-être aussi importants que ceux liés à la mise au point du MAV. Par ailleurs, l'EEV devra également résister aux impacts de micrométéorites, ainsi qu'au crash final avec la surface terrestre. Enfin, durant la phase de croisière, les échantillons devront idéalement être préservés dans des conditions les plus proches possibles de celles expérimentées sur Mars, avant leur prélèvement.

Une fois le container sécurisé au niveau de l'EEV, l'orbiteur pourra entamer la phase finale de sa mission : s'extirper du puits de gravité martien et revenir vers la Terre. L'engin (qui porte désormais la dénomination d'ERV, pour Earth Return Vehicle) sera lancé sur une trajectoire de non collision (évitement) avec notre planète. Une telle trajectoire empêchera toute collision accidentelle avec la Terre, si par malheur le contact radio avec le véhicule de retour est perdu par les contrôleurs au sol. C'est seulement si l'intégrité de l'enceinte de confinement (qui entoure donc le container d'échantillon) est validée que le véhicule de rentrée sera orienté au tout dernier moment vers notre monde. L'EEV sera alors orienté puis éjecté vers son site d'atterrissage, tandis que le reste de l'ERV effectuera une manœuvre de diversion pour aller se perdre à jamais dans le système solaire.

Comme nous l'avons vu, pour diminuer au maximum les risques de dysfonctionnement, l'EEV a été simplifié à l'extrême. Celui-ci est totalement passif, à l'exception d'une balise radio qui sera activée durant la phase finale de descente. Lors de la rentrée atmosphérique terrestre, l'EEV, qui ne possède aucun dispositif de guidage, se placera de lui-même dans la bonne orientation. Sa trajectoire de rentrée sera conçue pour exposer toutes ses surfaces externes à des températures suffisamment hautes pour atteindre le point de stérilisation. Sans parachute, il finira par s'écraser au sol, l'énergie de l'impact étant absorbée par le bouclier thermique et par de multiples couches de plusieurs dizaines de centimètres d'un matériel déformable absorbeur de choc. L'énergie libérée lors de l'impact ne devra en aucun cas rompre l'intégrité de l'enceinte de confinement ou celle de la paroi du container d'échantillons. D'un point de vue scientifique, il faudra aussi éviter à tout prix d'altérer les échantillons, en particulier la stratification des sédiments meubles contenus dans les tubes métalliques. Le design final de l'EEV devra être compatible avec les normes très sévères de protection planétaire, au risque de soulever l'ire des opposants au retour d'échantillons martiens. C'est ainsi que les chances de libérer par inadvertance, lors de l'atterrissage, une particule martienne non stérilisée d'un diamètre supérieur à 0,2 micron devront être inférieures à 10-6.

Pour la récupération de la capsule, de nombreux autres scénarios avaient été imaginés, depuis la capture du véhicule d'entrée en plein air par un hélicoptère ou un avion C-130 (qui aurait alors pu atterrir directement au Centre de Contrôle des Maladies à Atlanta), jusqu'à une récupération par la navette spatiale, la station spatiale internationale (comme dans le film Life de Daniel Espinosa), voire même un avant-poste lunaire (Lunar Orbital Platform-Gateway, LOP-G). Tous ont été rejetés pour des raisons de coût ou de sécurité.

Genesis et Stardust comme modèles

Le véhicule de rentrée terrestre devrait être conçu par le centre de Langley de la NASA, qui s'est fait une spécialité de ce genre d'engins. L'expérience acquise lors des missions Genesis et Stardust sera ici mise à profit.

Fin 2001, après s'être placée au niveau du point de Lagrange L1, la sonde américaine Genesis collecta des particules du vent solaire pendant 850 jours. Le 8 septembre 2004, lors d'un passage rapproché avec la Terre, elle largua sa capsule, qui, après la traversée de l'atmosphère sous bouclier thermique, devait freiner sous parachute pour être ensuite récupérée en plein vol par un hélicoptère. Hélas, suite à un dysfonctionnement technique, le parachute refusa de s'ouvrir, et la sonde s'écrasa au sol, en frappant la surface à la vitesse de 310 kilomètres par heure. Sous l'impact, la capsule s'ouvrit en deux, exposant les échantillons à l'air libre et au sol poussiéreux du désert. De nombreux objectifs scientifiques purent finalement être atteints, mais ce type de situation ne serait pas acceptable  avec des échantillons martiens. De son côté, la mission Stardust, qui devait collecter des particules émises par la comète Wild 2, connut une fin plus satisfaisante. Après s'être séparée de son vaisseau porteur, la capsule effectua un atterrissage en douceur sous parachute le 16 janvier 2016. Les connaissances acquises avec d'autres missions ayant pour objectif de rapporter des échantillons de comètes et d'astéroïdes (comme Hayabusa 1 en 2010, ainsi que Hayabusa 2 et OSIRIS-REx qui sont en cours), seront mises à profit pour concevoir l'EEV.

En ce qui concerne le site d'atterrissage, la zone sélectionnée pour recevoir l'EEV devra être aussi plate, large et désolée que possible. Pour des raisons évidentes de sécurité, les échantillons étant américains, le site d'impact sera situé dans le désert de l'Utah, au niveau du polygone de l'Utah Test and Training Range. Ce secteur est utilisé depuis plusieurs décennies par l'armée américaine pour mener toutes sortes d'expérimentations, depuis des tirs de missiles à des combats aériens entre chasseurs. En 2006, c'est sur ces terres arides que la sonde Stardust a ramené ses échantillons de poussière cométaire. D'autres sites restent possibles, comme le lac Eyre en Australie, ou l'atoll corallien de Kwajalein dans le pacifique. La récupération au sol de l'EEV devra idéalement avoir lieu moins d'une heure après son impact au sol. Dès qu'il aura atteint la surface, le véhicule de rentrée, qui vient de traverser l'atmosphère terrestre dans une boule de feu, verra sa température grimper en flèche, surtout si l'atterrissage a lieu en journée, en plein soleil, en zone désertique. On comprend donc l'urgence qu'il y aura à récupérer l'engin, et à le stocker immédiatement dans un container réfrigéré.

Une fois la capsule sécurisée, elle sera transportée dans un complexe spécialement adapté, à l'image du Lunar Receiving Laboratory (LRL) conçu dans le cadre des missions Apollo pour accueillir les échantillons de roches lunaires. Dans le cadre du retour d'échantillons martiens, ce complexe est désigné sous le nom générique de SRF (Sample Return Facility). Comme nous allons le voir en détail dans la dernière partie de ce dossier, aucun échantillon ne pourra être mis à la disposition des scientifiques sans avoir passé au préalable des tests prouvant son innocuité biologique et chimique.

Sample Receiving Facility (SRF) : une forteresse pour les pierres martiennes

Si la plupart des éléments constituants une campagne de retour d'échantillons martiens sont des engins spatiaux, celle-ci comporte néanmoins un composant purement terrestre, absolument indispensable, et pour lequel les travaux devront commencer au minimum 10 ans avant l'arrivée des échantillons martiens : il s'agit de la structure permettant de réceptionner les échantillons martiens, le SRF (Sample Receiving Facility).

Suite à sa récupération dans le désert de l'Utah, la capsule de rentrée EEV sera transporté directement au SRF par voie aérienne (probablement à part d'un C-130 placé sous haute escorte). Après avoir été décontaminée, elle sera démantelée en environnement stérile pour permettre la récupération du container sphérique (OS). Ce dernier sera ensuite ouvert avec le maximum de précaution pour autoriser l'extraction des tubes renfermant les échantillons, et ce sans contamination par des substances terrestres ni altération. Les échantillons seront alors caractérisés physiquement, puis éventuellement débités, avant que de nombreux tests ne soient menés pour déterminer leur dangerosité. Si aucun risque biologique ou toxique n'est encouru, les échantillons pourront ensuite être conditionnés pour être envoyés dans les laboratoires du monde entier, où ils seront attendus avec une grande impatience par les meilleures équipes de recherche de la planète. En cas de suspicion de risques, mêmes minimes, de dangerosité biologique, le choix pourra être fait de stériliser les échantillons.

A l'heure actuelle, il n'existe aucun établissement remplissant toutes les exigences attendues par le SRF, que ce soit en termes de protection planétaire (contamination de l'environnement terrestre par des germes martiens) et de niveau de propreté (contamination des échantillons martiens par des matériaux terrestres). Certains laboratoires de haute sécurité, comme le célèbre Centre de Contrôle et de Prévention des Maladies (CDC) à Atlanta aux Etats-Unis, l'Institut de Recherche médical des maladies infectieuses de l'armée américaine à Fort Detrick dans le Maryland (USAMRIID, United States Army Medical Research Institute of Infectious Diseases), ou encore le laboratoire civil Jean Mérieux de niveau P4 (BSL-4, dans la terminologie anglo-saxone) de Lyon en France, pourraient sembler convenir. Cependant, même si ces établissements excellent dans le confinement de pathogènes létaux, ils ne sont absolument pas équipés pour protéger les échantillons martiens contre toute contamination terrestre, qu'elle soit biologique, organique ou inorganique. Ces laboratoires ne disposent effectivement d'aucunes salles blanches répondant aux standards de propreté exigés pour les analyses. A l'heure actuelle, l'établissement qui s'apparente le plus à un SRF sur Terre est le NBACC (National Biodefense Analysis and Countermeasures Center) à Fort Detrick aux Etats-Unis dans le Maryland.

Historiquement, ce n'est sans doute pas un hasard si le dispositif le plus pertinent était le laboratoire de réception des échantillons lunaires (LRL, Lunar Receiving Laboratory) basé à Houston au Texas, et qui fut spécialement construit pour recevoir, analyser et entreposer les échantillons prélevés sur la Lune par les astronautes des missions Apollo. Le protocole Baylor, qui définissait les tests à effectuer pour prouver l'innocuité des échantillons sélènes, fut appliqué à la lettre pour les missions Apollo 11, 12 et 14, avant d'être jugé non nécessaire et d'être annulé pour la mission Apollo 15 et les suivantes. Il existe de très nombreuses similitudes entre les fonctions assurées par le LRL dans les années 1970 et celles auxquelles le SRF devra répondre, et tous les travaux réalisés dans le cadre de l'exploration lunaire seront très utiles à la campagne de retour d'échantillons martiens.

Cependant, des différences entre le LRL et le SRF existent, et doivent être prises en compte. Ainsi, si le LRL avait pour tâche d'assurer la mise en quarantaine des astronautes et des capsules de retour, le SRF sera uniquement conçu pour confiner les échantillons martiens tout en empêchant leur contamination. Une autre différence importante entre les deux laboratoires de quarantaine concerne les quantités d'échantillons disponibles. Les astronautes Apollo ont ramené de la Lune plusieurs centaines de kilogrammes de roches. En comparaison, le container orbital OS ne pourra pas contenir plus de 500 grammes d'échantillons. Tous les tests destructeurs qui seront effectués sur les échantillons martiens pour mesurer leur dangerosité devront donc avoir lieu sur de très petites quantités, qui devront toutefois être représentatives de ou des échantillon(s) eux-mêmes. Il serait effectivement inconcevable de consommer la plus grande majorité des échantillons pour les tests d'innocuité, et de se retrouver avec des quantités négligeables pour les véritables analyses.

Dans le cadre d'un retour d'échantillons martiens, il est possible qu'un établissement existant puisse être adapté ou amélioré pour jouer le rôle de SRF, ou que plusieurs laboratoires soient mis en place dans un petit nombre de pays, si le programme de retour d'échantillons s'internationalise, et que pour des considérations non seulement scientifiques mais aussi politiques, un établissement unique ne soit pas jugé acceptable. Pour l'instant, il est probable que le SRF soit situé au Johnson Space Center à Houston au Texas, où était déjà situé le LRL, et où se trouve actuellement le Lunar Sample Laboratory Facility (LSLF), lieu de stockage des échantillons lunaires.

Au sein du Lunar Sample Laboratory Facility, les roches lunaires sont stockées dans des isolateurs en surpression, sous atmosphère ultra-pure d'azote, où la concentration en vapeur d'eau (H2O) et en oxygène (O2) est très faible. Ces isolateurs sont installés dans des salles blanches de classe 1000 (norme ISO 6), qui admettent moins d'un million de particules inférieures à 0,1 micron par m3 d'air. Les seuls matériaux qui rentrent en contact avec les roches lunaires sont des outils en téflon, en acier inoxydable ou en aluminium. Les outils utilisés pour manipuler les échantillons, tout comme les procédures, ont été conçues pour minimiser la contamination par des particules organiques et des substances inorganiques. L'aspect propreté est donc clairement pris en compte. Cependant, les échantillons lunaires ne présentant aucune dangerosité, les techniques et protocoles mis en œuvre au LSLF ne répondent que pour moitié aux besoins du SRF.

Comme nous l'avons déjà souligné, d'un point de vue design, le SRF devra répondre à deux critères majeurs antagonistes : permettre le confinement, avec une rigueur équivalente à celles des laboratoires P4/(BSL-4, des échantillons martiens pour empêcher toute fuite d'agents biologiques ou toxiques vers l'extérieur, et faire obstacle à toute contamination de ces derniers par des contaminants terrestres, biologiques ou inorganiques. De plus, même si la majeure partie des analyses seront conduites dans des laboratoires extérieurs, le SRF devra permettre la réalisation d'analyses préliminaires de haut niveau.

Au vu de ce qu'il vient d'être dit, il est très probable qu'un nouvel établissement doive être construit pour jouer le rôle de SRF. De nombreuses analyses et rapports ont déjà été réalisés sur le sujet, et ce d'autant plus que les missions de retour d'échantillons sont étudiées depuis les années 1970. Le concept d'un laboratoire spécialement conçu pour accueillir des échantillons extraterrestres, et permettre leur analyse tout en protégeant la biosphère terrestre est si fascinant qu'il a aussi fait l'objet d'œuvres de fiction, dont la plus emblématique est la variété Andromède de Michael Crichton. Il est remarquable de constater que presque tous les points fondamentaux sont non seulement évoqués, mais aussi exploités d'un point de vue scénaristique, dans ce roman visionnaire de 1969.

Design d'un laboratoire d'accueil pour les échantillons martiens

Toute la difficulté de la création du SRF vient du fait que l'impératif de confinement est opposé à celui du contrôle de la contamination. Dans les laboratoires biologiques de haute sécurité de type P4/BSL-4, tout est fait pour empêcher les germes pathogènes d'être libéré à l'extérieur, et de causer des catastrophes sous la forme d'épidémies mortelles. Les salles et les isolateurs (conteneur étanche équipé de gants permettant la manipulation des souches) maintiennent un gradient de pression, l'air situé à l'intérieur étant à une pression inférieure à celui de l'environnement externe, où opèrent les chercheurs. Comme l'air est continuellement aspirée pour créer une dépression artificielle, toute particule a tendance à rentrer dans les espaces en question, et rien ne peut en sortir.

Au contraire, quand on souhaite éviter la contamination d'un objet (par exemple une roche) par des contaminants terrestres (organique, minéral, biologique), il est nécessaire de travailler sous pression positive. La pression à l'intérieur des salles ou des pavillons doit alors être supérieure à celle de l'environnement extérieur, ce qui fait qu'aucune particule étrangère ne peut rentrer. Les environnements sont donc très propres. Si ces dispositifs n'étaient pas aussi coûteux, il serait facile d'en équiper nos appartements et maisons, ce qui nous éviterait les incessantes corvées de dépoussiérage !

Tous les designs actuellement envisagés pour le SRF font intervenir le concept de double barrière. Une première barrière, appelée barrière primaire, a pour rôle d'isoler les échantillons martiens de l'environnement terrestre. A son niveau seront situés les outils permettant de subdiviser ou de scier les échantillons, les dispositifs permettant leur caractérisation ainsi que leur stockage, et enfin les instruments permettant la détection de traces de vie, d'agents pathogènes ou de composés toxiques. Cette barrière primaire sera matérialisée par des isolateurs, équipés ou non de bras robotiques. La barrière primaire devra offrir une certaine flexibilité, et permettre par exemple de pouvoir déplacer facilement les échantillons entre les différents isolateurs, salles et espaces de stockage. Une solution serait d'utiliser les techniques de transport mises en œuvre dans l'industrie électronique, où des composants doivent être déplacés dans des conditions extrêmes de propreté entre différents postes, ateliers ou bâtiments.

En cas de rupture d'intégrité de la barrière primaire, une barrière secondaire doit permettre de maintenir le confinement. Celle-ci est généralement séparée du monde extérieur par des sas pressurisés, ainsi que par des systèmes de stérilisation comme des douches chimiques. Ces sas doivent fonctionner et assurer leur fonction d'isolation en permanence, y compris dans des conditions dégradées comme des pannes de courant.

Une contrainte supplémentaire dans la mise au point de la double barrière concerne le fait que l'étude des échantillons martiens va susciter un immense intérêt, non seulement de la part d'une large communauté scientifique, mais également du public. Si les espaces dans lesquelles les échantillons seront manipulés vont être forcément réduits, il sera très important que les opérateurs puissent communiquer facilement avec des équipes scientifiques et techniques restées à l'extérieur, en vue de bénéficier de leur expertise. Il est donc possible que différents systèmes (vitres blindées, caméras) doivent être installés, pour permettre à des personnes d'assister en temps réel, soit sur place, soit à distance, aux opérations ayant lieu derrière les barrières de confinement.

Les capacités de décontamination seront également très importantes pour le SRF. Toutes les surfaces rentrant en contact avec les échantillons martiens, que ce soit les isolateurs, les plateaux, les containers, les outils, les cellules de mesure des instruments, les manipulateurs robotiques, devront pouvoir être stérilisées et nettoyées avec les mêmes exigences que celles retenues pour les sondes martiennes de la campagne de retour d'échantillon. L'un des soucis est que les techniques de décontamination, qui consistent donc à ôter complètement des substances organiques, minérales ou biologiques, ne sont guère développées, étant donné qu'habituellement, la stérilisation suffit.

Comme le LSLF décrit plus haut, le SRF devra également disposer d'une infrastructure de stockage des échantillons martiens, et ce sur des périodes de plusieurs décennies. Les échantillons ramenés de la lune par les missions Apollo continuent encore aujourd'hui à être analysés, et il est donc impératif de pouvoir conserver une partie des échantillons pour les générations futures, qui disposeront également de techniques d'analyses bien plus sophistiquées et puissantes, dont certaines n'ont sans doute pas encore été inventées ni envisagées.

Enfin, par nature extrêmement sensible, le SRF devra être fortement protégé contre le vol, le vandalisme, ou une attaque terroriste. Ces scénarios, qui évoquent immanquablement un film catastrophe hollywoodien, ne sont cependant pas des vues de l'esprit. Plus de 80 roches lunaires en provenance des missions Apollo manquent à l'appel, et certaines ont été récupérées lors d'une opération baptisée Operation Lunar Eclipse. Plusieurs échantillons furent également volés par des étudiants peu scrupuleux durant leur stage au Johnson Space Center. Le FBI estima leur valeur à plusieurs dizaines de millions de dollars, et le récit du cambriolage, particulièrement rocambolesque, a fait l'objet d'un livre passionnant, Sex on the Moon. Au marché noir, le prix de revente d'échantillons martiens atteindrait une fortune, et tout devra donc être fait pour les protéger et empêcher les vols, que ce soit au niveau du SRF ou les laboratoires extérieurs.

Protocoles de tests des échantillons martiens

Pour juger de la dangerosité des échantillons, et ce avant leur analyse proprement dite, un protocole de test très strict devra être entériné. Ce dernier comporte trois segments : tests physiques et chimiques, détection d'une éventuelle toxicité (incluant des effets tératogène, mutagène, ou d'altération du comportement), et enfin mises en évidence de risques biologiques (liés à la présence d'un agent capable de se répliquer ou d'être amplifié). L'un des aspects les plus fascinant de ce protocole est qu'il a été réalisé sur la base de nos connaissances en biologie, mais qu'il est sensé pouvoir permettre la détection d'agents pathogènes extraterrestres, dont l'existence pourrait reposer sur des mécanismes moléculaires et cellulaires totalement inconnus. Cette thématique est particulièrement bien examinée dans le magnifique roman de Michael Crichton, la variété Andromède, qui bien qu'écrit en 1969, alors que le programme Apollo battait son plein, demeure une référence dans le domaine de l'exobiologie et de la protection planétaire.

Lorsque la capsule EEV contenant les échantillons arrivera au SRF, son intégrité sera examinée. Le container sphérique OS sera extrait, et des prélèvements auront lieu à sa surface, avant que cette dernière ne soit nettoyée. Par tomographie à rayons X, il sera possible d'avoir un premier aperçu des échantillons contenus dans les tubes. Le container sera alors ouvert, et la totalité des gaz relâchés seront analysés. Les tubes seront ensuite extraits un par un. Les particules de sols et de poussières adhérant aux parois externes seront prélevés, puis les tubes seront à nouveau passés au scanner, de manière à caractériser l'hétérogénéité des échantillons qu'ils renferment : fractures, stratifications, veines, pores. Ces informations permettront de déterminer la façon dont les échantillons seront fragmentés, une fois le tube ouvert, pour permettre les analyses demandées par les équipes scientifiques.

En terme de capacité analytique, le SRF devra être équipé d'une batterie d'instruments, en particulier des imageurs multi-spectraux, des microscopiques optiques, électroniques et à force atomique, des détecteurs de radiation, des spectromètres de masse couplés à des techniques de séparation comme la chromatographie phase gazeuse ou liquide, des spectromètres Raman, des diffractomètres rayon X, des spectromètres de fluorescence X, ainsi qu'un appareil de tomographie à rayons X. Pour évaluer la dangerosité, de nombreux tests seront aussi effectués sur des organismes vivants, comme des bactéries, du plancton, ainsi que des plantes et des petits animaux modèles, très bien caractérisés et utilisés dans de nombreux laboratoires (poisson zèbre, drosophile, nématode, etc.). Il est également possible que des petits écosystèmes de laboratoire soient également nécessaires.

Contrairement à ce que l'on peut voir dans la variété Andromède de Michael Crichton (ou la souche extraterrestre est inoculée à des souris et des singes rhésus), l'expérimentation animale sera vraisemblablement réduite pour des questions d'éthique, et remplacée quand ce sera possible par des cultures cellulaires et des analyses moléculaires. La prise de conscience, relativement récente, de la capacité limitée des microbiologistes à pouvoir cultiver en tubes ou boites de pétri la plupart des germes terrestres (seuls 3 % peuvent faire l'objet de cultures) fait que cette technique devra laisser la place à d'autres techniques d'investigations pour détecter une éventuellement vie microbienne d'origine martienne. Certaines expériences nécessiteront peut-être une incubation sous atmosphère martienne, qui devra donc avoir été prélevée en quantité suffisante.

A ce stade de la mission de retour d'échantillons, la très grande majorité des scientifiques souhaitera obtenir rapidement une sélection d'échantillons, pour pouvoir mener à bien les études pour lesquels ils possèdent une expertise, et ce dans leur propre laboratoire. Or, si les échantillons présentent un risque du point de vue protection planétaire, les chercheurs devront se contenter de les étudier avec l'équipement du SRF, ce qui n'est guère idéal. Certaines techniques d'analyse seront de plus hors de portée du SRF, quelque soit son niveau de sophistication. C'est en particulier le cas des études au synchrotron, dont l'installation à l'intérieur du laboratoire de réception des échantillons n'est pas envisageable, et qui nécessitera donc le transport de spécimens à l'extérieur du SRF.

Pour répondre à ces demandes, une solution serait de stériliser les échantillons par irradiation (exposition à des doses létales de rayons gamma). Des études ont montré que plus de 90 % des analyses pourraient être effectuées sur des échantillons stérilisés, sans que les résultats ne soient faussés. Seuls deux catégories d'analyses ne rentrent pas dans ce cas de figure : celles pour lesquelles une stérilisation n'est pas possible, et celles qui doivent avoir lieu le plus rapidement possible après l'arrivée de l'EEV au niveau du SRF.

Robotisation du SRF

Pour des raisons de sécurité, certains concepts de SRF s'appuient sur l'utilisation intensive de robots. En se basant sur l'expérience accumulée dans les laboratoires de type P4/BSL-4, la plupart des ruptures de confinement sont dues à des erreurs humaines, et impliquent particulièrement l'emploi des gants, comme ceux des boites à gants. Tous ceux qui ont dû porter des gants pour effectuer un travail de précision savent à quel point ces derniers peuvent être inconfortables. Quelque soit l'ingéniosité avec laquelle ils sont fabriqués, les gants n'autorisent que des mouvements grossiers, même avec de l'expérience, et ne permettent pas la manipulation fine de très petits objets. Ils sont de plus susceptibles d'être percés par des objets tranchants, comme des aiguilles. Ainsi, au cours des missions Apollo, durant un examen préliminaire d'échantillons lunaires, une minuscule entaille fut détectée dans l'un des gants d'une boite à gants. La zone potentiellement contaminée fut fermée, et onze personnes se retrouvèrent malgré elles en quarantaine, avec, on l'imagine, un impact significatif sur l'activité du laboratoire.

Un second point à prendre en compte provient du fait qu'il est impossible de stériliser un être humain. De ce fait, quelque soit les précautions prises, les opérateurs seront une source potentielle majeure de contamination biologique, et la question se pose donc de savoir s'il ne faut pas les séparer au maximum des échantillons martiens. Pour réduire le plus possible les brèches dans le confinement et la contamination des échantillons, la robotisation du laboratoire de réception des échantillons martiens pourrait donc s'avérer être une nécessité. Des robots pourraient être déployés au niveau de différentes postes, comme ceux au niveau desquels auront lieu l'ouverture du container et la récupération des échantillons, leur caractérisation initiale et leur subdivision, ainsi que de nombreux tests, à l'exception des tests in-vivo. Ils seront aussi mis à contribution pour le transport entre les différents postes ainsi qu'au niveau de la zone de stockage. La généralisation des robots industriels, et les performances de ces derniers en termes de flexibilité, fiabilité et niveau de propreté rendent ces idées tout à fait plausibles, même si des opérations de maintenance et de réparation resteront nécessaires.

Pour en savoir plus :

Go ! Retour d'échantillons : la peur de la contamination.
Go ! Liste de liens concernant le retour d'échantillons (page de bibliographie).

Si le dessin ci-dessus vous rappelle vaguement quelque chose, c'est normal. Dès l'atterrissage des sondes Viking sur Mars en 1976, les scientifiques et ingénieurs se mirent à rêver à une mission plus complexe encore : ramener sur Terre des échantillons d'air, de sol, de roches et pourquoi pas de glace prélevés sur Mars. La sonde illustrée ici, dérivée des atterrisseurs Viking, était un engin massif, conçu par les ingénieurs de Martin Marietta pour un retour direct des échantillons, sans passer par un rendez-vous en orbite martienne avec un véhicule de récupération. Statique, il ne pouvait prélever des échantillons que localement. On note à l'avant plan le bras modifié des sondes Viking, ainsi que le véhicule de remonté en forme de tonneau, incliné sur le côté pour faciliter le chargement des échantillons (Crédit photo : © Martin Marietta/NASA).

Très vite, la nécessité de se déplacer à la surface de Mars pour pouvoir collecter librement les échantillons les plus intéressants est apparue aux ingénieurs de la NASA qui planchaient sur les missions de retour d'échantillons. Ce dessin d'artiste montre un véhicule de plus de 600 kg (le MST), composé de trois sections distinctes, chacun équipée de deux roues et reliées entre elle par une articulation permettant à l'engin d'épouser le sol martien et de se jouer des obstacles rencontrés (jusqu'à 1,5 mètre de hauteur). Le segment avant comportait deux bras robotiques optimisés pour la collecte, un dispositif de forage et de nombreux instruments scientifiques. Une caméra offrant une vision stéréoscopique était montée sur la section médiane, qui supportait également une antenne radio. Enfin, le segment arrière fournissait l'énergie au rover, par l'intermédiaire d'une générateur thermoélectrique radioisotopique (RTG) similaire à ceux des atterrisseurs Viking. A l'arrière-plan, on aperçoit la fusée de retour (appelée SRS), qui attend patiemment ses échantillons, et dans le ciel, un orbiteur de télécommunication, panneaux solaires déployés. Les ingénieurs avaient estimé que le rover serait revenu plusieurs fois déposer ses échantillons au niveau du SRS, pour collecter au total environ 5 kilogrammes de matériel martien. Le projet illustré ici (dénommé MRSR) datait de 1987. Même si son design est différent, le rover Curiosity, en action dans le cratère Gale depuis 2012, est finalement une très belle incarnation des rêves des ingénieurs, qui, il y a plus de 30 ans, rêvaient à un retour d'échantillons. (Crédit photo : © NASA).

Par nature, une mission de retour d'échantillons martiens est d'une complexité extrême. Il faut pouvoir atterrir sur Mars, idéalement s'y déplacer, pour collecter de petites quantités de gaz, de sols et de roches, puis empaqueter tout cela dans une fusée, qui devra ramener la précieuse collecte sur Terre, soit directement (ce qui implique une puissance et donc une masse considérable), soit en passant par un rendez-vous en orbite avec un véhicule de retour. Les scénarios actuels prévoient trois sondes, lancées chacune à deux années d'intervalle : un rover de collecte, un rover de récupération et sa fusée de remontée en orbite martienne, et enfin le véhicule de retour vers la Terre. Il y a des décennies, les ingénieurs n'hésitaient cependant pas à imaginer des engins monstrueux et modulaires, capable de mener à bien en une seule fois toutes ces étapes. C'était le cas du concept illustré ci-dessus, et proposé en 1984. Au moment de son départ, l'IVS (Interplanetary Vehicle System) aurait pesé presque 9,5 tonnes. Le fuselage biconique de ce vaisseau géant (dérivé des têtes d'ogives nucléaires), est saisi ici lors de son entrée atmosphérique au-dessus d'un volcan martien. L'élégante coque renferme un incroyable assemblage de modules robotiques, imbriqués les uns dans les autres, à la manière d'un jeu de mécano géant. La description, ainsi que la complexité de cette poupée russe spatiale, donne le tournis (Crédit photo : © NASA).

Tous les projets de retour d'échantillons n'étaient pas des monstres de complexité et des gouffres financiers. Au début des années 2000, dans le cadre du programme Mars Scout, une équipe proposa ainsi de ramener des échantillons d'atmosphère martienne (gaz et poussière) en faisant effectuer un passage en rase motte à un bolide, qui, après avoir frôlé Mars, revenait directement sur Terre. Les échantillons étaient capturés dans de l'aérogel, matériel déjà utilisé sur la sonde StarDust. Baptisé SCIM (Sample Collection for Investigation of Mars), ce projet original ne sera finalement pas retenu, après avoir été en demi-finale en décembre 2002. Deux missions martiennes seulement voleront dans le cadre du programme Scout : l'atterrisseur polaire Phoenix et l'orbiteur MAVEN (Crédit photo : © droits réservés).

Vue d'artiste de trois étapes essentielles d'une mission de retour d'échantillons telle qu'envisagée actuellement, et qui n'ont pour l'instant jamais été testée : le décollage du MAV pour l'orbite basse martienne (à gauche), le rendez-vous de l'orbiteur de récupération avec le container contenant les échantillons, et enfin le largage de la capsule de retour (EEV) à proximité de la Terre (Crédit photo : © ESA).

Dans le domaine de la conquête spatiale, l'entreprise qui consiste à vouloir récupérer des échantillons martiens est l'une des plus complexes, coûteuses et risquées jamais envisagées par l'homme. La seule mission capable de rivaliser avec ce projet pharaonique est l'envoi d'hommes sur la Lune, lors du programme Apollo des années 1960-1970. Par rapport aux missions de retour d'échantillons imaginées dès 1970, trois aspects seulement ont connu une spectaculaire évolution : l'identification de sites d'atterrissage hautement prioritaires, suite à un effort magistral de cartographie de la surface martienne par une flottille d'orbiteurs américains et européens, l'amélioration des techniques permettant d'augmenter la fiabilité et la précision des atterrissages, et enfin la présence en orbite martienne de nombreux satellites pouvant jouer le rôle de relais radio. Combien d'années faudra-t-il encore attendre avant de vivre l'apothéose du programme robotique d'exploration de Mars, c'est à dire l'arrivée vers la Terre de la première capsule renfermant des échantillons de Mars ? (Crédit photo : © CNES/David Ducros).

Après l'annulation de la mission franco-américaine de retour d'échantillons dans les années 2000, ce projet refait son apparition dans le cadre d'une collaboration internationale entre la NASA et l'ESA. Avant son annulation en 2012, l'agence spatiale américaine proposait d'envoyer sur Mars un rover, MAX-C, dont l'objectif était de collecter des échantillons de roches et de sols, en vue d'un futur retour. Le travail effectué sur MAX-C sert aujourd'hui au développement du rover américain prévu pour 2020, premier véritable composant d'une mission de retour d'échantillon (Crédit photo : © droits réservés).

Le rover américain Mars 2020 est la seule mission d'une éventuelle campagne de retour d'échantillons actuellement approuvée et financée par une agence spatiale. Son objectif est de collecter des sections cylindriques de roches (carottes) et du régolite à l'intérieur du cratère d'impact Jezero. D'autres missions devront être mises sur pied pour rapatrier les échantillons sur Terre (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Similaire à Curiosity, le rover de la mission Mars 2020 se distingue toutefois par des instruments différents, ainsi qu'un dispositif particulièrement novateur et sophistiqué de prélèvement d'échantillons. Sa charge utile jouera un rôle de premier plan dans la détermination du contexte géologique et exobiologique des régions situées autour du site d'atterrissage, ainsi que dans la reconnaissance et la sélection des matériaux à échantillonner (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Un prototype de panier à échantillons unique (monolithic cache) étudié par la NASA dans le cadre de la mission Mars 2020. Ce dernier permettait de ranger 43 tubes en titane d'une longueur de 14 centimètres, d'un diamètre de 2 centimètres et pouvant accepter environ 15 grammes de matériel. 30 d'entre eux étaient dévolus aux échantillons de roches et de sol. 7 tubes supplémentaires servaient de témoins, principalement pour détecter une contamination terrestre à diverses étapes de la mission. Enfin, les 6 tubes restant pouvaient servir de tubes de rechange, en cas de besoin (Crédit photo : © NASA).

Le système d'échantillonnage du rover américain Mars 2020 possède une tête de forage en acier hérissée de dents en carbure de tungstène (la présence de cet élément empêchant la datation des roches par le couple tungstène/hafnium). Le forage peut s'effectuer par rotation ou par percussion. Une fois sectionnée à sa base et retirée, chaque carotte de 15 grammes est ensuite placée dans un tube en titane d'une longueur de 14 centimètre, qui est ensuite hermétiquement scellé. De manière à diminuer au maximum l'exposition des échantillons à l'environnement martien, toute la phase de collecte devra avoir lieu le plus rapidement possible, en moins d'une heure. Au niveau du dispositif d'échantillonnage, une importance considérable a été apportée à la propreté (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Le carrousel du système de collecte d'échantillons du rover 2020. Il contient 5 forets pour le carottage, 2 forets abrasifs pour la préparation de la surface des roches avant prélèvement, et un foret adapté au prélèvement du régolite martien (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

L'intérieur d'un tube de test de prélèvement du rover 2020, vu par la caméra CacheCam de l'une des stations d'inspection du dispositif ACA (Adaptative Cache Assembly) faisant partie du système d'échantillonnage, le SCS (Sampling Caching System) (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Plutôt que de stocker en permanence tous les échantillons à l'intérieur d'un container unique, le rover de la mission Mars 2020 mettra en œuvre une technique jugée plus flexible et moins risquée par la NASA, l'adaptative caching. Après avoir exploré une région intéressante d'un point de vue géologique et exobiologique (Region of Interest, ROI), le rover ira déposer dans un secteur de dépôt des tubes remplis d'échantillons. L'engin pourra ensuite explorer d'autres secteurs (à droite). A intervalles réguliers, il reviendra vers le site de stockage pour y déposer de nouveaux tubes (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Le scénario actuel de retour d'échantillons, étudié par la NASA et l'ESA, s'appuie sur trois missions distinctes et deux fenêtres de tir. En 2020, le rover de la mission Mars 2020 décolle en direction de la planète rouge, pour collecter des échantillons à l'intérieur du cratère Gale. En 2026, la NASA lance une plateforme dotée d'une fusée de retour (MAV) ainsi que d'un rover de récupération fourni par l'ESA. L'agence spatiale européenne envoie également un orbiteur pour le retour des échantillons vers la Terre. Ces deux missions sont injectées sur des trajectoires anormalement longues : l'orbiteur arrive en 2027, tandis que l'atterrisseur se pose en 2028. Environ une année plus tard, le MAV décolle avec à son bord le container d'échantillons, pour rejoindre l'orbite martienne. L'orbiteur de l'ESA effectue un rendez-vous avec le container, avant de repartir sur Terre. Dans ce planning, l'arrivée des échantillons martiens est prévue pour 2031 ou 2033 (Crédit photo : © ESA).

Si les ergols qui alimenteront le moteur du véhicule de remontée (MAV) des premières missions de retour d'échantillons seront apportés directement de la Terre, il n'en sera peut-être pas toujours ainsi. Le carburant pourrait aussi être fabriqué sur Mars, à partir de l'atmosphère martienne. Un retour direct, sans passer par un rendez-vous en orbite martienne, serait alors peut-être envisageable (Crédit photo : © Pat Rawlings).

Photographie du container orbital (OS) renfermant les échantillons martiens et proposé par l'Agence Spatiale Européenne (ESA), dans le cadre d'une collaboration avec la NASA qui fut annulée en 2012. D'un diamètre d'environ 17 centimètres et pesant 5 kilogrammes, ce container permettait d'accueillir environ 500 grammes d'échantillons. Placé sur une orbite basse et très stable de 500 kilomètres d'altitude par le MAV, il devait être récupéré par un orbiteur au terme d'une série de manœuvres complexes de rendez-vous, avant d'être ramené sur Terre (Crédit photo : © ESA).

Dessin d'artiste de l'orbiteur de la mission de retour d'échantillon, sur le point de capturer la sphère contenant les échantillons martiens. Cette étape n'est atteinte qu'après un ballet orbital particulièrement complexe, qui a pour objectif d'aligner très précisément les orbites suivies par le chasseur (l'orbiteur) et sa proie, le container d'échantillon (Crédit photo : © NASA/JPL / Corby Waste).

Sur cette vue d'artiste, le container d'échantillons n'est plus qu'à quelques dizaines de centimètres du panier de basket de l'orbiteur. A ce stade, le pari des ingénieurs est presque gagné. A côté des étapes incroyablement délicates qui viennent d'être franchies, le retour sur Terre apparaît d'une simplicité absolue (Crédit photo : © NASA JPL / Corby Waste).

Pharaonique par nature, l'entreprise qui va consister à ramener sur Terre des échantillons de Mars semble inspirer particulièrement les ingénieurs, qui n'hésitent pas à proposer pour cette campagne de missions des technologies avancées, séduisantes mais aussi risquées. C'était notamment le cas de l'aérocapture (étudiée pour le projet franco-américain des années 2000 pour diminuer sensiblement la masse de carburant nécessaire pour la mise en orbite autour de Mars), et, dans une moindre mesure, celle de la propulsion solaire. De manière à diminuer fortement la masse de carburant à embarquer sur l'orbiteur de récupération (qui aura un aller-retour à effectuer entre Mars et la Terre), il serait avantageux de pouvoir remplacer la traditionnelle propulsion chimique par un moteur électrique, alimenté par l'énergie solaire. L'orbiteur serait équipé de larges panneaux solaires avancés, flexibles et résistants aux radiations, qui seraient repliés au moment du lancement puis déployés comme des stores ou des éventails une fois dans l'espace. L'énergie recueillie serait utilisée pour faire fonctionner un propulseur à effet Hall. Dans ce type de moteur ionique, des atomes de gaz (xénon) sont ionisés par un canon à électrons, accélérés dans un champ magnétique puis expulsés à très grande vitesse dans le vide spatial. Contrairement aux moteurs chimiques, ces moteurs ioniques sont allumés en permanence. Le gain en termes de masse de carburant serait d'un facteur 10. Autant dire que l'idée est loin d'être considérée comme alambiquée par les agences spatiales (crédit photo : droits réservés).

Les mesures de protection planétaire sont d'une importance cruciale lors d'une mission de retour d'échantillons. Il s'agit non premièrement d'éviter de contaminer Mars avec des organismes terrestres (qui pourraient se développer ensuite là-bas), ou de manière moins dramatiques des substances organiques capable d'adhérer aux précieux échantillons martiens, et qui diminueraient alors considérablement leur intérêt. Le second axe est d'empêcher à tout prix de ramener de potentiels germes extraterrestres sur Terre. Les précautions qui seront prises pour éviter une contamination croisée vont grever de manière considérable le budget de la mission, encore plus que pour la mission Viking en 1976. L'illustration montre l'une des sondes Viking en cours de positionnement dans une étuve géante, en vue de sa stérilisation (Crédit photo : © NASA).

La Guerre des Mondes de H.G. Wells

Un grand classique de la Science-Fiction, la Guerre des Mondes de H.G. Wells. Il faudra encore patienter au moins une bonne décennie avant que des échantillons martiens ne reviennent sur Terre, mais certains esprits s'inquiètent depuis longtemps déjà des conséquences. La poignée de cailloux et de sol sera traitée comme si elle contenait les germes les plus dangereux : barrières de confinement multiples, laboratoires P4 ... Les martiens feraient-ils toujours autant peur ? (Crédit photo : © droits réservés).

L'épave de la capsule de la mission Genesis, qui ramenait sur Terre des échantillons de vent solaire. L'absence de déploiement des parachutes a entraîné son crash dramatique le 8 septembre 2004, dans le désert de l'Utah. Un tel événement serait désastreux dans le cadre d'une mission de retour d'échantillons martiens, une contamination croisée Terre - Mars devant absolument être évitée (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

La récupération de la capsule de la mission Stardust, qui renferme des échantillons provenant d'une comète (Wild 2) et du milieu interplanétaire. La capsule s'est posé en douceur sur une base de l'US Air Force (Utah Test and Training Range) en pleine nuit le 15 janvier 2006 (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

 

Une boite à gants, similaire à celles qui équiperont le complexe de réception (SRF) des échantillons martiens. L'intérieur de l'enceinte est maintenu sous pression négative, pour éviter toute fuite vers l'extérieur. Les entrées et sorties d'air sont sécurisées par des filtres HEPA, tandis que les échantillons sont manipulées par l'intermédiaire de gants rigides et présentant le maximum de résistance aux coupures et déchirures. Grâce à des interfaces standards, les enceintes de ce type peuvent être reliées entre elles pour faciliter les manipulations, ou connectées à différents équipements, comme des incubateurs, des autoclaves, des cages d'animalerie ou des containers pour incinération. Pour le laboratoire de réception des échantillons martiens, où la dangerosité de ces derniers sera évaluée, des boites à gants dotées de deux parois séparées par un espace à pression négative seraient recommandées, de manière à éviter à la fois la contamination du laboratoire mais aussi des échantillons en cas de rupture de confinement. Ce type de boites à gants n'existe cependant pas pour le moment (crédit photo : © droits réservés).

Une scène du film Outbreak (1995), avec Dustin Hoffman et Rene Russo en combinaison intégrale de protection. Le retour d'échantillons martiens sur Terre implique un risque sans doute très faible, mais néanmoins non nul, de contamination de la biosphère terrestre par des germes extraterrestres. Le potentiel de dangerosité des échantillons sera donc évalué au sein d'un complexe similaire aux laboratoires de type P4/BSL-4, où les germes terrestres les plus virulents sont étudiés. Dans ces complexes, les opérateurs doivent revêtir des combinaisons intégrales pressurisées (sous pression positive). Avant d'entrer dans les salles aseptisées où les expérimentations ont lieu, ils doivent se déshabiller et enfiler des sous-vêtements jetables (incinérables), puis leur scaphandre. Ainsi équipés, ils passent ensuite par un sas de décontamination, qui fonctionne par exemple par brumisation d'une solution formolée. Au niveau des laboratoires, les combinaisons sont ensuite branchées sur des tubes flexibles (appelés narguilés) qui permettent aux opérateurs de respirer de l'air pur (qui ne provient donc pas de la pièce où ils vont travailler). L'air gonfle également les combinaisons en empêchant l'entrée de toutes particules en cas de déchirure. Chaque opérateur porte quatre couches de gants, ce qui complique beaucoup les manipulations (crédit photo : © Warner Bros. Pictures).

Sex on the Moon, où comment voler à la NASA un coffre rempli de pierres lunaires et martiennes pour séduire sa petite amie. Cette histoire vraie raconte le parcours stupéfiant de Thad Roberts, un étudiant brillant, promis à un avenir de cosmonaute, et qui décide, de manière incompréhensible, de s'emparer d'un lot de roches extraterrestres dans le bâtiment 31 du centre Johnson Space Center (JSC) de la NASA, à Houston. Enrôlé dans un stage pour aspirant astronaute au JSC, Thad Roberts croise le chemin du docteur Everret Gibson, un géochimiste de classe internationale, et qui a consacré sa carrière à l'étude de roches lunaires et martiennes. Venue de nulle part, une idée fixe commence à obséder Thad Roberts : celle de mettre la main sur le trésor cosmique que le scientifique garde dans son laboratoire, pour s'assurer l'amour de Rebecca, une jeune femme qu'il a rencontré sur le campus, et dont il est tombé amoureux. Dès son arrivée au JSC, Thad Roberts ne passe pas inaperçu. Charismatique, l'étudiant ne semble avoir aucun mal à nouer des liens avec ses camarades, même si pour impressionner, il n'hésite pas à se placer dans des situations délicates et à braver les interdits. C'est ainsi qu'il parviendra très rapidement à pénétrer dans le simulateur de vol de la navette spatiale, un bâtiment dont l'accès est pourtant scrupuleusement contrôlé. Au fur et à mesure que le temps passe, l'envie de passer à l'acte et de subtiliser le coffre de Gibson le taraude. Dénoncé par un collectionneur de minéraux amateur, Thad Roberts sera arrêté par le FBI après son crime, et écopera d'une peine très lourde de prison, qu'il passera dans des conditions difficiles. L'affaire embarrassa considérablement la NASA, et le vol perpétré par Thad Roberts montre à quel point la sécurisation des échantillons martiens sera importante, que ce soit au sein du SRF ou au niveau des laboratoires extérieurs qui effectueront les analyses (crédit photo : © droits réservés).

Prototype de porte-échantillon réalisé pour le CNES et permettant de manipuler en toute sécurité des échantillons martiens en vue d'analyse à l'extérieur du laboratoire de réception et de quarantaine, le SRF. A la façon d'une poupée russe, ce container comporte trois chambres imbriquées les unes dans les autres. La dernière chambre accueillie un système sur lequel s'insèrent des tubes capillaires ultra-propres, pouvant contenir des grains minéraux ou organiques de 10 à 100 microns. Des fenêtres permettent de réaliser plusieurs analyses simultanées, comme des mesures permettant de déterminer la composition chimique élémentaire (par spectrométrie à fluorescence X) ou la composition minéralogique (par spectrométrie Raman, spectrométrie infrarouge, ou encore diffraction à rayons X) (crédit photo : © CNES).

 

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